JP2621110B2 - 液晶表示素子とその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液晶表示素子とその製造
方法に関し、特に視野角を改善できる液晶表示素子とそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示ディスプレイ等に使用される液
晶表示素子いわゆる液晶セルは、液晶の特定な分子配列
を電界等の外部からの作用によって別の異なる分子配列
に変化させて、その間の光学的特性の変化を視覚的な変
化として表示に利用している。無電界（電界オフ）時に
液晶分子をある特定の配列状態にするために液晶をはさ
むガラス基板の表面には配向処理を行うのが普通であ
る。

【０００３】従来のツイストネマチック（ＴＮ）形液晶
セルなどでは、配向処理として、液晶を挟むガラス基板
を綿布のようなもので一方向に擦るいわゆるラビングが
採用されている。

【０００４】たとえば、ラビングの方向は上下の基板間
でラビング方向が互いに直交するように一対の基板を組
み立てる。液晶セルがネガ表示の場合にはセルを挟む平
行ニコル配置の偏光板をその偏光軸がどちらか一方のラ
ビング方向と平行になるように配置し、またポジ表示の
場合には、直交ニコル配置の偏光板をその偏光軸が基板
のラビング方向と平行になるように配置する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このようなラビングで
配向処理をすると、液晶分子の配向方向が一様なため
に、観測者から画面を見たとき、表示が見やすい角度が
特定の角度範囲に制限される視角特性が生じる。

【０００６】図４（Ａ）はＴＮ形液晶セルの視角特性を
表す等コントラスト曲線の一例である。図４（Ａ）にお
いて、液晶セルの法線方向をθ＝０とし、そこを中心に
放射線状に法線からの角度θを取り、水平面内の観測位
置を方位角度φで示す。その定義を図４（Ｂ）に示す。

【０００７】図４（Ａ）の太い実線の曲線は等コントラ
スト線で、それぞれの曲線にはコントラスト値が示され
ている。図４（Ａ）で示されるように、コントラストの
高い視角領域は特定の角度領域に偏っていることがわか
る。したがって、このような液晶セルはある方向からは
見えやすく、別の方向からは見えにくいといった視角依
存性を持つことになる。

【０００８】このような視角依存性をもつ液晶セルを表
示装置として利用した場合には、表示画面に対してある
角度（図４（Ａ）の例ではφ＝１８０°付近）ではコン
トラストが極端に低下し、甚だしい場合には表示の明暗
が反転してしまう。

【０００９】図４（Ａ）のような視角特性を持つのは、
ラビングによって液晶分子が図５で示すようなプレチル
トが生じるからである。液晶分子がプレチルトを持つ方
向は、図５の矢印で示すラビングするベクトル方向に一
致する。

【００１０】液晶セルに電圧が印加されると、液晶分子
はプレチルトしている方向に立ち上がってくるために、
その方向から観測した場合に、旋光性が解消されやすく
なる。したがってベクトルの終端方向が一番見やすくな
る。

【００１１】さらに、ラビングする際には、摩擦による
静電気が発生して配向膜に絶縁破壊が起きたり、その部
分の配向不良によって表示不良の原因となる場合があ
る。また、アクティブマトリックス（ＡＭ）駆動方式を
採用する液晶セルで、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）など
の駆動素子や配線が表面に形成された基板をラビングす
る場合には、ラビングによる静電気によって素子や配線
が破壊されるという場合がある。単純マトリックスの場
合にも、細い配線の切断等が生じる場合がある。

【００１２】さらに、配向膜形成時やラビング時に微小
なゴミが大量に発生し、そのゴミが静電気によって基板
に付着し、それが液晶セルのギャップ不良や黒点や白点
といった表示不良の原因となる場合がある。

【００１３】本発明の目的は、視野角の特性を改善し、
ラビング処理に起因する問題を解決できる液晶表示素子
とその製造方法を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明による液晶表示素
子は、一対の基板と、該一対の基板間に挟持されたカイ
ラルネマチック液晶あるいはネマチック液晶を含む液晶
層とを有する液晶表示素子であって、前記液晶層の液晶
分子の配向方向は基板面内方向に関して巨視的にはほぼ
あらゆる方向に等確率で分布し、基板と垂直な方向に関
してはほぼ一定のツイスト角を示す。

【００１５】

【作用】巨視的には基板面内方向に関しては、液晶分子
は配向方向がランダムに分布している。基板面垂直方向
に関しては、カイラルネマチック液晶は入射光の偏光軸
を全体として所定角度回転させる。一対の偏光子を用い
ればポジ表示等を実現できる。ラビングを行わないため
にラビングに基づく種々の問題は生じない。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１（Ａ）〜１
（Ｃ）と図２を参照して説明する。図１（Ａ）は本発明
の実施例による液晶表示セルの模式的な断面図である。
透明ガラス基板１、２の間にカイラルネマチック形の液
晶分子３が挟持されている。

【００１７】この液晶セルを製造するには、従来の技術
によるプロセスをそのまま利用できる。但し、ラビング
は行なわない。ラビング等の積極的配向処理を行なわな
い時、片側の基板面上において、微小領域を見れば、少
なくとも近似的にある一定の方向にほぼ液晶分子が揃っ
た形で平行配向しているものと考えられる。

【００１８】より広い範囲を全体として見た場合は、こ
れらの微小領域（ミクロドメイン）が多数（マルチ）存
在していて、そのマルチドメイン内の配向方向はあらゆ
る方向であり、全ての方向が同じ確率で存在するものと
考えられる。

【００１９】つまり、セル全体の界面分子の配向方向を
考えた場合は、全ての方向を向いていることになり、各
微小ドメイン内を見た場合はある一定の方向を向いてい
ると近似できることになる。

【００２０】カイラルネマチック液晶は、図１（Ｂ）に
示すように、厚さｐで液晶分子の配向方向が３６０度回
転する。液晶分子は一方の基板表面から離れるに従っ
て、次第に旋回し、他方の基板表面上ではｄ／ｐで規定
される角度まで旋回するツイスト構造をとる。なお、ネ
マチック液晶の場合はｐ＝∞である。これらは、マルチ
ドメイン毎に同じようなツイストを示すので、反対側の
界面ではあるツイスト角だけ配向方向がずれた同様のマ
ルチドメイン状の配向をする。

【００２１】カイラルネマチック液晶のカイラルピッチ
をｐとし、ガラス基板で挟持される方向の液晶層の厚み
をｄとしたときに、０（＜または≒）ｄ／ｐ（＜または
≒）０．７５なる条件を満たすようにする。好ましく
は、０．１５＜ｄ／ｐ＜０．７５となる条件を満たすよ
うに液晶セルを形成する。すなわち、角度に直すと５４
度から２７０度の旋光性を有するようにｐとｄを定め
る。

【００２２】たとえば、ｄ／ｐ＝０．２５（９０°ツイ
ストに対応）でそのカイラルピッチｐが規定された液晶
を平行に配置したギャップｄの透明ガラス基板１と２の
間に注入して封止する。

【００２３】液晶材料としては、たとえば、知られてい
るネマチック液晶、コレステリック液晶のいずれをも用
いることができる。ツイストを持たせる場合は、ネマチ
ック液晶にカイラル剤を添加すればよい。

【００２４】もちろん、アクティブ駆動方式の場合に
は、図１（Ｃ）に示すように、アモルファスＳｉや多結
晶Ｓｉを用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のような駆
動素子ＱやＣｒ等の金属で形成した配線Ｗ、インジウム
−錫酸化物（ＩＴＯ）等で形成した透明画素電極Ｐ等が
ガラス基板１や２に形成される。これらの表面を絶縁保
護膜１３で覆うことが好ましい。さらに、ブラックスト
ライプやカラーフィルタ等を形成してもよい。対向基板
上には、全面に共通電極を形成する。単純マトリックス
の場合は、一対の基板上に互に交差する配線群を形成す
る。絶縁保護膜ないし配向膜については、基板１，２上
に形成することは必ずしも必要ないが、形成してもかま
わない。ただし、ラビングは行なわない。

【００２５】たとえば、ｄ／ｐ＝０．２５とした場合、
各ドメイン内では２枚の基板間で液晶分子が９０°ツイ
ストした配列をとる。しかし、多数のドメインを含むマ
ルチドメイン内の界面での配向は、あらゆる方向を向い
ている。

【００２６】なお、液晶を注入する際に、液晶の温度を
液晶のＮ−Ｉ（Ｎ：ネマティック，Ｉ：アイソトロピッ
ク）相転移点以上の温度に保ちながらアイソトロピック
相で注入して、Ｎ−Ｉ点以下まで徐々に温度を下げて液
晶セルを製作した方が、表示素子としての表示が綺麗に
なる。

【００２７】さらに、液晶のみならず、液晶注入前の基
板の温度も液晶のＮ−Ｉ点以上に保ちながら液晶を注入
して、徐々にＮ−Ｉ点以下に温度を下げることが好まし
い。このように液晶セルを製作した方が表示品質はさら
に向上する。

【００２８】バルク（外部から何らの配向規制力を与え
ない状態）の液晶の性質がマルチドメインを形成するこ
とを考えれば、一般的に配向規制力のないセル内ではマ
ルチドメイン構造をとるであろうことが予想される。特
に、液晶をＮ−Ｉ点以上に保って注入するときほどこの
傾向が強く、しかもマルチドメインの各ドメインサイズ
等がより揃ったものになると考えられる。

【００２９】なお、液晶セルの外側に配置する偏光板１
１、１２の配置は、ポジ表示の場合には直交ニコル、ネ
ガ表示の場合には平行ニコルとする。基板面内にはラビ
ング方向のような基準方向がないことからも判るよう
に、偏光板の偏光軸の面内角度は任意である。

【００３０】ｄ／ｐ＝０．２５の場合、マルチドメイン
のうち、界面の液晶分子の配向方向が入射偏光の偏光方
向と平行、若しくは垂直の関係にあるものは、通常のＴ
Ｎセルと同様にその旋光能により出射偏光の偏光方向は
９０°ツイストしたものとなる。

【００３１】これに対して、入射偏光方向と平行および
垂直の関係にないものは、その旋光能プラスリターデー
ション（△ｎ・ｄ：△ｎ：液晶の屈折率異方性）により
出射光のツイスト角が決まり、しかもそれは波長依存性
を持つものになる。

【００３２】したがって、これらのマルチドメインおよ
び反対側の偏光板を通過した光は色付くことになる。し
かし、これらのマルチドメイン内の配向方向は全ての方
向に対して等確率で存在しているため、出射光の波長依
存性は全体としてほぼ打ち消されてしまい、ポジ表示に
おいては、ＯＦＦ時は色付きのない透過状態を示すもの
と考えられる。

【００３３】図２に、以上説明した方法で製作した液晶
セルの視角特性を示す。製造条件としては、複屈折率の
屈折率差△ｎ＝０．０９３、相転移温度Ｔ_NI＝９８℃の
ＴＦＴ用の一般的な液晶を用い、ギャップ５．５μｍの
透明電極（インジウム錫酸化物ＩＴＯ）膜を設けたテス
ト用セルに液晶を封入した。

【００３４】配向膜はなしで、液晶注入は液晶及び基板
の両方をＮ−Ｉ点以上の温度に保って行なった。ニュー
トラル高偏光タイプ（日東電工Ｇ−１２２０）の偏光板
配置は直交ニコルとし、前後それぞれの偏光軸を（０°
−１８０°）方向及び（９０°−２７０°）方向に配置
してポジ表示とした。

【００３５】図２から明らかなように、本発明の実施例
においては、全方位にわたってほぼ同じ視角特性を有し
ており、図４（Ａ）の従来の液晶セルで見られるよう
な、特定の角度から見た時のコントラストの悪化が見ら
れない。

【００３６】この液晶セルの組織を偏光顕微鏡で観察し
てみたところ、セル全面にわたって微小なマルチドメイ
ンが観察された。これが視角依存性がなくなった理由で
あると考えられる。

【００３７】すなわち、表示面内に多数のドメインが発
生し、全体として基板と平行な面内にあらゆる配向の液
晶分子が分布すると、入射光の偏光軸がどのようなもの
であっても、出射光の全体としての偏光軸は９０度回転
したものとなる。９０度の偏光軸回転と直交偏光子との
組合せにより、表示が可能となる。また、マルチドメイ
ンによって角度依存性がなくなる。

【００３８】偏光軸の角度は、マルチドメイン構造であ
るため、任意になる。実際、偏光板の角度を変化させて
も、特性面での差は観察されなかった。なお、平行ニコ
ルのネガ表示の場合、先に述べた波長依存性のため、Ｏ
ＦＦ時の黒が充分に出にくい傾向があった。すなわち、
ポジ表示がより好ましい。

【００３９】以上説明した実施例は、積極的配向処理を
しない場合であった。但し、近年ラビング処理を行わな
くても配向処理が可能なことか判った。たとえば、偏光
記憶膜を用いると、光照射によって微小領域の配向処理
が行なえる。このような配向処理を行なった基板を使用
しても上記実施例と同様なマルチドメイン構造が形成で
き、同様な効果が得られる。

【００４０】なお、光偏光記憶膜としては、 （１）ジアゾアミン系染料をドープしたシリコンポリイ
ミドを用いたもの：Ｗａｙｎｅ Ｍ．Ｇｉｂｂｏｎｓ
他，ＮＡＴＵＲＥ Ｖｏｌ．３５１（１９９１）ｐ．４
９、 （２）アゾ系染料をドープしたＰＶＡ（ポリビニルアル
コール）を用いたもの：飯村靖文他：第１８回液晶討論
会−日本化学会第６４秋期年会−，ｐ．３４，平成４年
９月１１日発行，社団法人日本化学会。もしくは、Ｊｐ
ｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３２（１９９
３）ｐｐ．Ｌ９３−Ｌ９６、 （３）光重合フォトポリマーを用いたもの：Ｍａｒｔｉ
ｎ Ｓｃｈａｄｔ他，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．Ｖｏｌ．３１（１９９２）ｐｐ．２１５５−２１６
４ 等を利用することができる。

【００４１】以上の実施例におけるマルチドメイン構造
を模式的に拡大図示すると図３（Ａ）のようになる。図
３（Ａ）はセルの平面拡大図である。多数の微小領域す
なわちミクロドメイン４が形成され、各ドメイン４の内
部の液晶分子は、矢印で示すようにある一定の方向にほ
ぼ揃った形で平行配向している。但し、セル全体として
巨視的に見るとランダムな配向をしており視角特性が実
質的に等方的であることが理解できるであろう。

【００４２】先に説明した実施例における液晶セルの製
造工程において、制作条件を種々変えることによって図
３（Ａ）のマルチドメイン構造とは異なった次のような
配向構造が得られる。

【００４３】たとえば、図３（Ｂ）に示すように、液晶
分子３が連続的にその配向方向を変化している構造が形
成される。セル全体としては配向方向がランダムで、液
晶分子３は全方向に等確率で配向している。

【００４４】また、図３（Ｃ）に示すように、図３
（Ａ）と図３（Ｂ）の組み合わせのような構造も形成さ
れる。すなわち、微小領域内では一定方向に配向したミ
クロドメイン４が点在し、その間に液晶分子３が連続的
に配向方向を変化して存在している。この場合も、セル
全体としての配向方向はランダムである。

【００４５】図３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）のいずれ
の構造でも上述の効果が得られることは言うまでもな
い。本発明は以上説明した実施例に限るものではなく、
開示の内容に基づき当業者であれば様々な改変や変更が
容易であろう。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、視角特性が全方位にわ
たってほぼ均一であり観測者の特定の位置によってコン
トラストが低下することがない。

【００４７】さらに、ラビング処理を行なわないため、
静電気による素子や配線の破壊が起きず、ゴミの発生や
付着による表示不良を低減することができる。また、配
向膜を形成しなければ、配向膜に起因すると考えられる
残像や焼きつき等の問題がなくなる。

【００４８】ラビング処理あるいは配向膜形成をしなけ
れば、それらの工程がなくなるので、製造コストの低減
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液晶表示セルの断面図で
ある。

【図２】本発明の実施例による液晶表示セルの視角特性
である。

【図３】本発明の実施例による液晶セルの一部の拡大模
式図である。

【図４】従来の技術による液晶表示装置の視角特性であ
る。

【図５】ラビングによるプレチルトを説明する図であ
る。

【符号の説明】

１、２ ガラス基板 ３ 液晶分子 ４ ミクロドメイン １１、１２ 偏光板 １３ 絶縁保護膜 Ｑ 薄膜トランジスタ Ｐ 透明画素電極 Ｗ 配線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−226126（ＪＰ，Ａ)

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の基板と、該一対の基板間に挟持さ
   れたカイラルネマチック液晶あるいはネマチック液晶を
   含む液晶層とを有する液晶表示素子であって、前記液晶
   層の液晶分子の配向方向は基板面内方向に関して巨視的
   にはほぼあらゆる方向に等確率で分布し、基板と垂直な
   方向に関してはほぼ一定のツイスト角を示す液晶表示素
   子。
2. 【請求項２】 前記液晶層は、基板面内方向で多数の微
   小領域を有し、各微小領域内では液晶分子の配向方向が
   揃っている請求項１記載の液晶表示素子。
3. 【請求項３】 前記液晶層は多数の微小領域間に液晶分
   子の配向方向が基板面内方向でほぼ連続的に変化する領
   域を含む請求項２記載の液晶表示素子。
4. 【請求項４】 前記液晶層の液晶分子の配向方向は基板
   面内方向に関し、微視的にはほぼ連続的に変化する請求
   項１記載の液晶表示素子。
5. 【請求項５】 前記一対の基板は前記液晶分子に対する
   積極的配向構造を有さない請求項１〜４のいずれかに記
   載の液晶表示素子。
6. 【請求項６】 前記一対の基板は前記液晶分子に対する
   積極的配向構造を有する請求項１〜４のいずれかに記載
   の液晶表示素子。
7. 【請求項７】 前記一対の基板がギャップｄを有し、前
   記液晶層のカイラルピッチをｐとしたときに、 ０（＜または≒）ｄ／ｐ（＜または≒）０．７５ となる条件を満たす請求項１〜６のいずれかに記載の液
   晶表示素子。
8. 【請求項８】 積極的配向構造を有さない一対の透明基
   板とカイラルネマチック液晶あるいはネマチック液晶と
   を用意する工程と、 前記透明基板間に前記カイラルネマチック液晶あるいは
   ネマチック液晶を注入する工程とを有する液晶表示素子
   の製造方法。
9. 【請求項９】 前記カイラルネマチック液晶あるいはネ
   マチック液晶を注入する際に、該液晶の温度を該液晶の
   Ｎ−Ｉ点以上に保ちながら注入することを特徴とする請
   求項８記載の液晶表示素子の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記カイラルネマチック液晶あるいは
    ネマチック液晶を注入する時の該透明基板の温度を該液
    晶のＮ−Ｉ点以上に保持して、前記液晶を注入すること
    を特徴とする請求項８ないし９記載の液晶表示素子の製
    造方法。
11. 【請求項１１】 前記カイラルネマチック液晶またはネ
    マチック液晶のカイラルピッチをｐとし、前記一対の透
    明基板で挟持される方向の前記液晶層の厚みをｄとした
    ときに、 ０（＜または≒）ｄ／ｐ（＜または≒）０．７５ となる条件を満たすように前記ｐとｄを選択した請求項
    ８〜１０のいずれかに記載の液晶表示素子の製造方法。