JPH10232397A

JPH10232397A - 液晶表示素子とその製造方法

Info

Publication number: JPH10232397A
Application number: JP3413897A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Shiba; 英徳司馬; Haruichi Inoue; 晴一井上; Takashi Sugiyama; 貴杉山; Masatoshi Horii; 正俊堀井; Nobuhisa Iwamoto; 宜久岩本
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 1997-02-18
Filing date: 1997-02-18
Publication date: 1998-09-02

Abstract

(57)【要約】【課題】垂直配向型ＥＣＢモード液晶表示素子とその
製造方法に関し、シャープネス特性と、コントラスト比
ならびに明状態での透過率を向上させることを課題とす
る。【解決手段】電極を表面に形成し、所定間隔で互いに
対向配置された一対の基板と、前記一対の基板間に配置
される液晶層とを有し、前記液晶層に電圧が印加されて
ない状態で液晶分子が基板面に対して垂直に配向し、前
記液晶層は負の誘電率異方性を持つネマティック液晶材
料を含み、さらに前記一対の基板の前記液晶と接する基
板面に該基板面と平行な方向に積極的な配向処理を施し
ている垂直配向型ＥＣＢモード液晶表示素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は液晶表示素子に関
し、特にコントラスト特性や応答性等の表示品質が優れ
た液晶表示素子とその製造方法とに関する。

【０００２】

【従来の技術】図７に、垂直配向型ＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔ
ｒｉｃａｌｌｙＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＢｉｒｅｆｒ
ｉｎｇｅｎｃｅ）モードＬＣＤ（液晶表示装置）の基本
構成例を示す。電圧無印加時に液晶分子１０が上下基板
２０、２１に対して垂直に配向している。垂直配向は、
液晶材料の選択と基板表面の配向処理等によって得られ
る。直交ニコル配置の偏光板２３、２４と組み合わせる
ことにより高コントラスト表示が得られる。

【０００３】このＥＣＢモードでは、電圧印加時に図８
に示すようにセルの上下基板間の中央部の液晶分子から
倒れはじめ、それと共に液晶層のリターデーションが変
化して徐々に透過率が上昇するという電気光学的特性を
持っている。

【０００４】しかし、このＥＣＢモードでは、一般に液
晶に印加する電圧変化に対する液晶の透過率変化の割
合、すなわち急峻性（シャープネス）がＳＴＮ−ＬＣＤ
（スーパツイストネマチック型液晶表示素子）などに比
べて緩やかである。なお、シャープネスは、所定の暗状
態に近い透過率に相当する印加電圧に対し、他の所定の
明状態に近い透過率に相当する印加電圧の比で定義さ
れ、１に近い値ほどコントラスト比が大きく、明状態で
の透過率が高いことを示す。

【０００５】シャープネスが劣ることは、デューティ比
の大きな単純マトリックス駆動で表示を行う場合に、コ
ントラスト比が小さいことや明状態の透過率が低いこと
を意味する。液晶セル厚を厚くすると急峻性を高めるこ
とができるということが知られているが、セル厚を厚く
すると応答速度が遅くなるという別の問題が生じる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】垂直配向型ＥＣＢモー
ド液晶表示素子のシャープネスを向上する発明が、本願
出願人が先に出願した特願平８−１４１９１０号の実施
の形態に開示されている。同出願の明細書に開示されて
いるものは、一対の基板に挟持された液晶層に電圧が印
加されていない状態で液晶分子が基板面に対して垂直に
配向している垂直配向型ＥＣＢモード液晶表示素子であ
って、液晶層は負の誘電率異方性を持つネマティック液
晶材料を含み、その液晶材料は液晶層に電圧を印加した
ときに基板間で液晶分子が徐々にその長軸方向を変化さ
せる螺旋構造を持つ。具体的にはカイラル剤を液晶に添
加することでこの螺旋構造を与えてシャープネスを向上
している。

【０００７】しかし、同出願の実施の形態に開示された
垂直配向型ＥＣＢモード液晶表示素子においても、さら
にシャープネスを改善する余地があり、ＳＴＮ−ＬＣＤ
等に比べてまだ緩やかである。

【０００８】本明の目的は、シャープネスが良く、コン
トラスト比が高く、かつ明状態での透過率が高い垂直配
向型ＥＣＢモード液晶表示素子とその製造方法を提供す
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶表示素子
は、電極を表面に形成し、所定間隔で互いに対向配置さ
れた一対の基板と、前記一対の基板間に配置される液晶
層とを有し、前記液晶層に電圧が印加されていない状態
で液晶分子が基板面に対して垂直に配向している垂直配
向型ＥＣＢモード液晶表示素子であって、前記液晶層は
負の誘電率異方性を持つネマティック液晶材料を含み、
さらに前記一対の基板の前記液晶と接する基板面に該基
板面と平行な方向に積極的な配向処理を施していること
を特徴とする。

【００１０】本発明の液晶表示素子の製造方法は、液晶
分子が垂直配向するように配向処理がされた一対の基板
を用意する工程と、前記一対の基板の前記液晶と接する
基板面に該基板面と平行な方向に積極的な配向処理を施
す工程と、前記一対の基板を所定間隔で対向配置して、
該基板間にカイラル剤を添加した負の誘電率異方性を持
つネマティック液晶材料を注入する工程とを有する。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例による垂直
配向型ＥＣＢモード液晶表示素子の電圧無印加時の液晶
分子の配列状態を示す図であり、図２は同じ液晶表示素
子の電圧印加時の液晶分子の配列状態を示す図である。

【００１２】垂直配向型ＥＣＢモード液晶表示素子の一
対の基板間に、誘電率異方性が負でかつカイラル剤が添
加されたネマティック液晶を注入する。但し、液晶を挟
持する一対の基板１、２の液晶と接する基板面に基板面
と平行な方向（以下、水平方向と称する。）に積極的な
配向処理を施している。図１の例では、基板１、２の矢
印方向が配向処理した方向である。なお、基板面の配向
膜については図示を省略している。

【００１３】図１の電圧無印加時には、図７に示す従来
の垂直配向ＥＣＢモード液晶表示素子と同様にすべての
液晶分子が基板面に対して略垂直に配列する。但し、こ
の水平方向の配向処理によって、電圧無印加時の初期配
向では、界面の液晶分子１０は基本的には垂直配向であ
るが配向方向に向かって図示のように微小な角度で傾く
ようになる。すなわち、界面の液晶分子にプレチルト角
が与えられる。基板面全体を同じ方向に水平配向処理す
れば、界面のすべての液晶分子に対して同じ方向に同じ
角度のプレチルトを与えることができる。

【００１４】このセルを直交ニコル配置の偏光板３、４
で挟持して、その表示面を観察すると、電圧無印加時に
は基板面内方向に複屈折は存在せず、液晶分子は垂直に
配向しているために良好な黒表示（透過率が低い状態）
が得られる。

【００１５】このセルに電圧を印加すると、図２に示す
ように液晶分子１０は倒れてリターデーションが大きく
なり光が透過する状態（明状態）となる。その際にカイ
ラル剤のために上下基板間で液晶分子が点線で示す如く
徐々にその長軸方向を変化させるねじれ構造（螺旋配
列）を取る。カイラル剤の添加によって、液晶分子は倒
れながらかつ捩じれてゆくので、図２のような螺旋構造
をとる。

【００１６】このカイラリティのために電圧変化に対す
る透過率変化の割合であるシャープネスがカイラル剤を
添加しない従来のものに比べ高い値を持つことができ
る。この現象はコンピュータシュミレーションによって
も裏付けされる。

【００１７】図２において、液晶分子は上側の基板２か
ら下側の基板１に達するまでに基板面内方向に関して１
８０°回転している。これは、配向方向が基板面内方向
で同一であり、たとえば図中上向きを基準方向とする
と、液晶分子にとって基板面内方向の配向方向は逆向き
となるためである。このように、液晶分子の向きに基準
方向に従った方向性をもたせ、それを一方の基準面上に
投影した時に形成される角度をφとする。

【００１８】図３は、基板１、２上の液晶分子の水平配
向の方向間の角度φを一般的に示すため、基板を斜め方
向から見た模式図である。図３において、ｘおよびｙは
基板と平行な面の互いに直交する座標軸を示し、ｚは下
側基板の法線方向の座標軸を示す。上の基板２上の液晶
分子の配向方向は液晶層中から基板表面に向かう方向で
あり、基板面に平行な矢印ａの方向である。矢印ａの方
向は配向（ラビング）方向と逆向きとなる。下の基板１
上の液晶分子の配向方向は基板表面から液晶層中に向う
方向であり、基板面に平行な矢印ｂの方向である。φ
は、ｘ−ｙ平面に投影される矢印ａとｂとの間の角度で
ある。

【００１９】角度φは、基板間の液晶分子の螺旋構造と
整合するように設定されることが望ましい。すなわち、
まず一方の基板の配向方向に一致する液晶分子の傾き方
向から捩じれ構造が開始され、他方の基板に向かって液
晶分子が徐々に捩じれてゆき、他方の基板の界面で丁度
その基板の配向方向と一致するように傾きと捩じれとが
揃うように上下の基板の配向方向を設定する。

【００２０】図７に示した従来の垂直配向型ＥＣＢモー
ドの液晶表示素子では、界面の液晶分子はほぼ垂直であ
ったために、液晶分子配向の方位角は全体としてランダ
ムで一定していなかった。このために、電圧を印加する
時液晶分子の配向状態はバラツキが大きかった。この従
来の垂直配向型ＥＣＢモードの液晶表示素子を直交配置
の偏光板で挟持して表示面のドットセルを観察すると、
図９の写真のようなブラッククロスと呼ばれる太い黒い
模様が見られる。

【００２１】これに対して、図１で示す、本発明の実施
例の配向処理をした垂直配向型ＥＣＢモードの液晶表示
素子では、基板界面の液晶分子には一定の方向にプレチ
ルトが与えられて初期配向しているために、電圧を印加
する時に配向方位角が均一に揃う。このために、ブラッ
ククロスは発生しない。図１０の写真は本発明の実施例
による垂直配向型ＥＣＢモードの液晶表示素子を直交配
置の偏光板で挟持して表示面のドットセルを撮影したも
ので、図９の写真の場合に比べ明らかにブラッククロス
は発生していないことがわかる。なお、図１０の写真に
おいて黒い線上模様は上下基板の電極エッジ部による斜
め電界の影響により生じたものである。

【００２２】本発明の実施例では、ブラッククロスが発
生しないために、光の透過率が高くなり、画質が改善さ
れる。また、カイラル剤の添加によって、セル厚を厚く
することなくシャープネス特性も向上する。さらに、基
板と平行な方向に施した配向処理の方向について、電圧
印加時の液晶の螺旋構造が界面の液晶分子のプレチルト
方向と一致するように設定することにより、シャープネ
ス特性は更に改善される。

【００２３】空セルは従来の技術による垂直配向型ＥＣ
Ｂモードの液晶表示素子と同じ製造方法、同じ構造で得
られる。但し、注入する液晶材料にカイラル剤が添加さ
れることにより、従来のものと同じデューティ比で駆動
した場合でも、高コントラスト比でかつ高透過率の液晶
表示素子が得られる。

【００２４】基板と平行な方向に配向処理を施す方法と
しては、例えば、感光性配向膜を用いた配向処理方法が
利用できる。この配向処理方法は、基板面に感光性配向
膜を形成した後、例えば紫外線波長の偏光あるいは自然
光を配向膜に照射することにより所望の液晶配向を形成
するものである。光が照射された感光性配向膜に対し、
照射光の照射方向あるいは偏光方向に応じた方向の配向
を液晶分子に付与することができる。照射方向を基板法
線方向から傾けることにより、一定のプレチルトが与え
られる。

【００２５】なお、配向処理としては、周知のラビング
を用いてもよい。また、斜方蒸着等光配向、ラビング以
外の配向方法を用いてもよい。

【００２６】

【実施例】以下、実際に本発明の実施例の液晶表示素子
を製作したときの工程とその表示性能について説明す
る。

【００２７】ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）で構成
された表示透明電極（ドットタイプ電極）を形成したガ
ラス基板に垂直配向ポリイミド配向膜（日産化学工業株
式会社製）をスピンナーにより塗布し、２００℃で１時
間焼成した。焼成後の配向膜の膜厚は約６０オングスト
ロームであった。

【００２８】上記の工程で作製した２枚の基板に
それぞれ紫外線光照射を行い基板面と平行方向に配向す
るように一軸配向処理を行った。

【００２９】上記の工程で配向処理した２枚のガ
ラス基板を、セル厚ｄが４．５μｍになるように重ね合
わせて空セルを作製する。その時に２枚の基板上の液晶
分子の配向方向の角度（図３のφ）が液晶の螺旋構造と
整合するよう基板の配向方向を設定する。すなわち、一
方の基板の配向方向は逆向きにして考える。

【００３０】の工程で得た空セルに真空注入法を
用いてカイラル剤を添加し、誘電率異方性が負のネマテ
ィック液晶（メルク社製）を注入した。その際に、ネマ
ティック液晶材料の自然捩じれピッチｐの値と、セル厚
ｄの値との関係がｄ／ｐ＝０．７４に設定したものを作
製した。

【００３１】完成した液晶セルを直交ニコル配置の
２枚の偏光板（日東電工製）で挟持して、１／２４０デ
ューティ駆動での電気光学特性を測定した所、表１のよ
うな結果が得られた。なお、その際に従来の技術による
垂直配向型ＥＣＢモードセル（表１の従来セル）も同様
に作製して比較のために測定した。

【００３２】なお、表１における最大透過率（Ｔｍａｘ
％）は、印加電圧（Ｖ）の変化に対するセルの透過率
（Ｔ）の最大値であり、ＣＲ５％とＣＲ１０％とは、そ
れぞれ１／２４０デューティ駆動においてセルの透過率
が５％と、１０％でのコントラストであり、Ｖ５０／Ｖ
５は、最大透過率と最小透過率とをそれぞれ１００％と
０％に換算した時、Ｔ＝５０％での電圧（Ｖ５０）とＴ
＝５％での電圧（Ｖ５）の比である。

【００３３】

【表１】

【００３４】〔表１〕に示す測定結果から、ホメオトロ
ピックセルにおいて基板面と平行な方向に配向処理を施
した本発明の実施例による液晶表素子は、従来セルに比
べて透過率、コントラスト及びシャープネスのいずれの
項目も向上していることが明らかである。

【００３５】次に、上記実施例と同じ製造方法により、
上下基板上の液晶分子の配向方向の角度（図３のφ）を
色々変えたセルを作製した。すなわち、図４に示したよ
うに、ｄ／ｐ＝０．７４の一定条件で、φを０°〜３６
０°の範囲で４５°毎に変えたセルを作製した。各角度
φの値のセルの表示面正面から見た基板上の配向処理の
方向は、図４表の右端欄中の矢印で示す。このようにし
て作製したセルを表１の実施例と同様な測定をしてその
評価を行った。その結果を図５及び図６に示す。図５及
び図６において横軸は角度φの値であり、図５の縦軸は
シャープネスを示し、図６の縦軸はコントラストを示
す。

【００３６】図５及び図６の評価実験結果から、φ＝１
８０°の場合が、シャープネス及びコントラストのいず
れにおいても最も良いことがわかる。すなわち、φ＝１
８０°とは上下基板の配向方向の関係が液晶の螺旋構造
と整合している場合であり、これが最適な配向条件であ
ることを示す。

【００３７】なお、液晶の自然捩じれ角であるｄ／ｐの
値についても同じ方法で最適な配向条件を決めることが
できる。最適な配向条件は、液晶材料の物性値（弾性定
数Ｋ２２等）、カイラル剤の添加量等により変わる。

【００３８】いくつかの実験結果により、垂直配向型Ｅ
ＣＢモード液晶表示素子において、電圧印加時の液晶層
の螺旋構造の捩じれ角は、１回転（３６０°）を１とし
た時、ネマティック液晶材料の自然捩じれピッチをｐと
し、セルの間隔をｄの値としたときにｄ／ｐの値よりも
小さな値とするのがよい。さらに、液晶材料によっては
螺旋構造の捩じれ角は、１回転（３６０°）を１とした
時１／２（ｄ／ｐ）から５／６（ｄ／ｐ）の範囲で設定
されるとよい。また、自然捩じれピッチｐの値と、セル
間隔ｄの値との関係が０．２５≦ｄ／ｐ≦１．０である
ことが望ましく。さらには、０．６５≦ｄ／ｐ≦０．７
５である条件が推奨できる。

【００３９】なお、基板面内で液晶分子を分割配向して
もよい。たとえば、基板上に配向膜を形成した後、ホト
レジスト層でチェッカーボード状の第１のマスクを形成
する。この状態で第１配向処理を行なう。その後、第１
のマスクを除去し、第１マスクに対して相補的な第２マ
スクを形成する。この状態で別の方向、たとえば直交す
る方向に第２の配向処理を施す。このような複数種類の
配向処理により基板面上に複数の配向方向を有する多数
の分割ドメインを形成する。配向処理は、たとえば光照
射によって行なう。

【００４０】たとえば、１画素を配向方向の異なる２つ
のドメインで形成すると、１画素内に液晶分子の配向方
向の異なる２つの領域を形成できる。液晶分子を互いに
異なる二つあるいはそれ以上の方向に傾けるようにする
と、視角特性を改善することができる。

【００４１】以上、実施例に沿って本発明を説明した
が、本発明はこれらに制限されるものではない。また、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、垂直配向型ＥＣＢモー
ド液晶表示素子において、液晶材料にカイラリティを与
えて電圧印加時に液晶分子にねじれ構造を与えると共
に、基板と平行な方向に配向処理を施したことによっ
て、コントラストと透過率とシャープネス特性をいずれ
も向上させ、表示品質を改善することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による垂直配向型ＥＣＢモード
液晶表示素子の電圧無印加時の液晶分子の配向状態を示
す断面図である。

【図２】本発明の実施例による垂直配向型ＥＣＢモード
液晶表示素子の電圧印加時の液晶分子の配向状態を示す
断面図である。

【図３】本発明の実施例による液晶セルの上下基板の配
向方向の関係を示す斜視図である。

【図４】本発明の実施例による液晶セルで、上下基板の
配向方向の関係である角度φを色々変えて作製したセル
の表である。

【図５】本発明の実施例による液晶表示素子の角度φと
シャープネスとの関係を示す測定結果のグラフである。

【図６】本発明の実施例による液晶表示素子の角度φと
コントラストの関係を示す測定結果のグラフである。

【図７】従来の垂直配向型ＥＣＢモード液晶表示素子の
電圧無印加時の液晶分子の配列状態を示す断面図であ
る。

【図８】従来の垂直配向型ＥＣＢモード液晶表示素子の
電圧印加時の液晶分子の配列状態を示す断面図である。

【図９】従来の垂直配向型ＥＣＢモード液晶表示素子の
電圧印加時の表示面の基板上に形成された微細なパター
ンを表す拡大写真である。

【図１０】本発明の実施例による垂直配向型ＥＣＢモー
ド液晶表示素子の電圧印加時の表示面の基板上に形成さ
れた微細なパターンを表す拡大写真である。

【符号の説明】

１、２基板３、４偏光板１０液晶分子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀井正俊神奈川県横浜市青葉区荏田西１−３−１スタンレー電気株式会社内 (72)発明者岩本宜久神奈川県横浜市青葉区荏田西１−３−１スタンレー電気株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電極を表面に形成し、所定間隔で互いに
対向配置された一対の基板と、前記一対の基板間に配置
される液晶層とを有し、前記液晶層に電圧が印加されて
いない状態で液晶分子が基板面に対して垂直に配向して
いる垂直配向型ＥＣＢモード液晶表示素子において、前
記液晶層は負の誘電率異方性を持つネマティック液晶材
料を含み、さらに前記一対の基板の前記液晶と接する基
板面に該基板面と平行な方向に積極的な配向処理を施し
ていることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】前記液晶材料は前記液晶層に電圧を印加
したときに前記基板間で液晶分子が徐々にその長軸方向
を変化させる螺旋構造を持ち、前記基板面に行う配向処
理の配向方向は前記螺旋構造と整合するように設定され
ていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項３】前記螺旋構造の捩じれ角は、前記ネマテ
ィック液晶材料の自然捩じれピッチをｐとし、前記所定
間隔をｄの値としたときにｄ／ｐの値よりも小さな値と
したことを特徴とする請求項１あるいは２記載の液晶表
示素子。
【請求項４】前記螺旋構造の捩じれ角は、３６０°を
１とした時、１／２（ｄ／ｐ）から５／６（ｄ／ｐ）の
範囲で設定されることを特徴とする請求項３記載の液晶
表示素子。
【請求項５】前記ネマティック液晶材料の自然捩じれ
ピッチｐの値と、前記所定間隔ｄの値との関係が０．２５≦ｄ／ｐ≦１．０と設定されていることを特徴とする請求項２から４のい
ずれかに記載の液晶表示素子。
【請求項６】前記ネマティック液晶材料の自然捩じれ
ピッチｐの値と、前記所定間隔ｄの値との関係が０．６５≦ｄ／ｐ≦０．７５と設定されていることを特徴とする請求項２から４のい
ずれかに記載の液晶表示素子。
【請求項７】前記基板面を多数のドメインに分割し、
前記一対の基板上の配向処理をドメインを分割して複数
の方向で行い、前記液晶分子を互いに異なる方向に傾け
るようにしたことを特徴とする請求項１から６のいずれ
かに記載の液晶表示素子。
【請求項８】さらに、前記一対の基板を挟持する一対
の偏光板を有し、該一対の偏光板の偏光軸が互いにほぼ
直交するように配置されていることを特徴とする請求項
１から７のいずれかに記載の液晶表示素子。
【請求項９】液晶分子が垂直配向するように配向処理
がされた一対の基板を用意する工程と、前記一対の基板の前記液晶と接する基板面に該基板面と
平行な方向に積極的な配向処理を施す工程と、前記一対の基板を所定間隔で対向配置して、該基板間に
カイラル剤を添加した負の誘電率異方性を持つネマティ
ック液晶材料を注入する工程とを有する垂直配向型ＥＣ
Ｂモード液晶表示素子の製造方法。
【請求項１０】前記液晶材料は前記液晶層に電圧を印
加したときに前記基板間で液晶分子が徐々にその長軸方
向を変化させる螺旋構造を持ち、前記基板面に行う配向
処理では、一対の基板を対向配置した時、配向方向が前
記螺旋構造と整合するように処理することを特徴とする
請求項９記載の液晶表示素子の製造方法。