JP2625851B2

JP2625851B2 - 液晶表示素子及びそれを使用した液晶表示装置

Info

Publication number: JP2625851B2
Application number: JP63085180A
Authority: JP
Inventors: 雅夫大河原; 實赤塚; 和利沢田; 祐二早田
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1988-04-08
Filing date: 1988-04-08
Publication date: 1997-07-02
Anticipated expiration: 2012-07-02
Also published as: JPH01257918A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、高密度表示に適した液晶表示素子に関する
ものである。

［従来の技術］従来、両電極間の液晶分子のツイスト角を大きくし
て、鋭い電圧−透過率変化を起し、高密度のドットマト
リクス表示をする方法として、スーパーツイスト素子
（T.J.Scheffer and Nehring,Appl.,Phys.,Lett.45（1
0）1021−1023（1984））が知られていた。

しかし、この方法は用いられる液晶表示素子の液晶の
複屈折率Δｎと液晶層の厚みｄとの積Δｎ・ｄの値が実
質的に0.8〜1.2μｍの間にあり（特開昭60−10720
号）、表示色として、黄緑色と暗青色、青紫色と淡黄色
等、特定の色相の組み合せでのみ、良いコントラストが
得られていた。

このようにこの液晶表示素子では白黒表示ができなか
ったことにより、マイクロカラーフィルターと組み合せ
て、マルチカラー又はフルカラー表示ができない欠点が
あった。

一方、同様な方式を使用し、液晶の複屈折率と厚みと
の積Δｎ・ｄを0.5μｍ付近と小さく設定することによ
り、ほぼ白と黒に近い表示が得られる方式が提案されて
いる。（M.Shadtet al,Appl.Phys.Lett.50（５）,1987,
p.236）しかし、この方式を使用した場合においては表示が暗
く、かつ、最大コントラストがあまり大きくなく、青味
を帯びるため、表示の鮮明度に欠ける欠点があった。

また、これを改善することを目的として、ツイスト角
を大きくした第１の液晶セルに、同じ液晶でほぼ同じツ
イスト角で、かつそのらせん方向が逆である第２の液晶
セルを重ねて、両液晶セルの隣接した液晶分子軸の配向
方向がほぼ直交するように配置することにより、オフ状
態で黒、オン状態で白となるネガ表示が実現できること
が提案されている。しかし、この方式では、オフ状態で
はやや青味を帯び、オン状態ではやや黄味を帯びるとい
う欠点を有していた。

［発明の解決しようとする課題］本発明の目的は、従来技術が有していた前述の特有色
を有する欠点を解消して、より白黒に近い表示を実現す
ると共に、明るくコントラスト比が高い液晶表示素子を
得ることを目的とするものである。

さらに、微細なカラーフィルターをセル内部またはセ
ル外部に形成して、従来通常の90゜ツイストのツイスト
ネマチック（TN）素子で実現されていた様な、モノカラ
ーまたはマルチカラー表示を実現しようとするものであ
る。

［課題を解決するための手段］本発明は、前述の問題点を解決すべくなされたもので
あり、ほぼ平行に配置された一対の透明電極基板間に、
旋光性物質を含有し、その電圧無印加時における両電極
間での液晶分子のツイスト角を160〜300゜とした誘電異
方性が正のネマチック液晶を挟持した第１の液晶セル
と、ほぼ平行に配置された一対の基板間外側に、旋光性
物質を含有し、その電圧無印加時における両電極間での
液晶分子のツイスト角を第１の液晶セルとほぼ同じツイ
スト角で、かつそのらせん方向が逆であるネマチック液
晶を挟持した第２の液晶セルとを積層し、その外側に一
対の偏光板を設置した液晶表示素子において、第２の液
晶セルに封入した液晶の屈折率異方性Δn₂の波長分散
が、第１の液晶セルに封入した液晶の屈折率異方性Δn₁
の波長分散よりも小さくされたことを特徴とする液晶表
示素子、及び、その液晶表示素子において第１の液晶セ
ルと第２の液晶セルの隣接した液晶分子の配向方向がほ
ぼ直交するように配置された液晶表示素子、及び、それ
らの液晶表示素子の第１の液晶セルの一方の透明電極を
複数の行状に配置し、他方の透明電極を前記行にほぼ直
交するように複数の列状に配置し、それらを夫々行電極
群駆動回路及び列電極群駆動回路に接続し、第１の液晶
セルのみに電圧を印加して駆動を行うことを特徴とする
液晶表示装置を提供するものである。

本発明では、液晶層が２層とされる。

まず、その第１の液晶セルは、従来のスーパーツイス
ト液晶表示素子の液晶セルと同じ構成のセルであり、電
極群が相対向しており、これにより各ドット毎にオンオ
フを制御可能とされる。この第１の液晶層のツイスト角
は約160〜300゜とされる。

具体的には、ほぼ平行に配置された一対の透明電極基
板間に旋光性物質を含有した誘電異方性が正のネマチッ
ク液晶を挟持し、その電圧無印加時における両電極間で
の液晶分子のツイスト角を160〜300゜とすれば良い。

本発明では、この第１の液晶層の屈折率異方性Δn₁と
液晶層の厚みd₁との積Δn₁・d₁はかなり広い範囲で使用
可能であり、0.5〜2.0μｍ程度が使用できる。特に、従
来のスーパーツイスト液晶表示素子で使用される0.6〜
1.4μｍ程度が明るく、かつコントラスト比の高い表示
が容易に得られる。

本発明では、上記第１の液晶セルに隣接して第２の液
晶セルを積層する。この第２の液晶セルは、第１の液晶
セルとほぼ同じツイスト角で、そのらせん方向が逆であ
り、かつその液晶の屈折率異方性Δn₂の波長分散が、第
１の液晶セルに封入した液晶の屈折率異方性Δn₁の波長
分散よりも小さくされたネマチック液晶セルとされれば
良い。

この場合、第１の液晶セルのΔn₁・d₁と第２の液晶セ
ルのΔn₂・d₂との値は、ほぼ等しくされることが白黒表
示の点からみて好ましい。

また、両液晶セルの隣接した液晶分子の配向方向をほ
ぼ直交するように配置することが好ましい。即ち、２つ
の液晶セルを３枚の基板で構成する場合には、中央の基
板の配向方向が両面で直交するようにされればよい。４
枚の基板で構成する場合には、積層される中間の２枚の
基板の配向処理方向が直交するようにされればよい。

この第２の液晶セルに使用されるネマチック液晶は電
気的に分子配列方向を制御する必要がないので、液晶の
誘電異方性が正でなくても使用可能である。このため、
第２の液晶セルには電極を形成しなくてよい。

本発明では、第２の液晶セルに封入した液晶の屈折率
異方性Δn₂の波長分散が、第１の液晶セルに封入した液
晶の屈折率異方性Δn₁の波長分散よりも小さくされるこ
とが重要である。これにより、オンオフ時の色がより白
黒に近い色となる。

この波長分散とは、その液晶のΔｎが波長により異な
ることからくる差のことであり、通常は可視光域の端で
ある。400nmにおけるΔn⁴⁰⁰と、700nmにおけるΔn⁷⁰⁰と
で見た場合の比Δn⁴⁰⁰/Δn⁷⁰⁰で判断すれば良い。

本発明では、第２の液晶セルに封入した液晶の屈折率
異方性Δn₂の波長分散の比Δn₂ ⁴⁰⁰/Δn₂ ⁷⁰⁰が、第１の
液晶セルに封入した液晶の屈折率異方性Δn₁の波長分散
の比Δn₁ ⁴⁰⁰/Δn₁ ⁷⁰⁰よりも小さくされる。

もっとも、本発明においては０＜（Δn₁ ⁴⁰⁰/Δ
n₁ ⁷⁰⁰）−（Δn₂ ⁴⁰⁰/Δn₂ ⁷⁰⁰）＜0.15程度とされること
が好ましい。これは、この差が0.15よりも大きくなる
と、オフ時の黒レベルの透過率が高くなり、影響が大き
く好ましくない。また、０よりも小さくなると、白黒表
示が得にくくなる。特には、0.03以上とされることがよ
り白黒表示に近付くため好ましい。

もし、前述した第１の液晶セルのΔn₁・d₁と第２の液
晶セルのΔn₂・d₂との値がくい違っている場合には、後
述するように偏光板の偏光軸方向を相互にずらしてみ
て、より鮮明な白黒表示となるように調節するようにす
る。

この２つの液晶セルは、夫々別の基板に挟持されて、
４枚の基板を使用して２つの液晶セルを形成し、これを
積層して用いてもよいし、３枚の基板を使用して２つの
液晶層を有するセルとしてもよい。

本発明では、第２の液晶セルは電極を形成しないでよ
いため、位置合わせ等の問題を生じないので、容易に３
枚の基板を使用して２層の液晶層を挟持するようにする
ことができる。

本発明では、液晶のツイスト角は約160〜300゜とされ
る。これにより、高いコントラスト比で、かつドメイン
の発生が少ない液晶表示素子が容易に得られる。

本発明では、この２層の液晶層の外側に一対の偏光板
が配置される。

より白黒に近く、かつコントラスト比の高い表示を得
るためには、これら一対の偏光板の偏光軸は、一般的に
はほぼ直交するように配置されることが好ましいが、最
適な貼り付け角は第１及び第２の液晶セルのΔn₁・d₁、
Δn₂・d₂の値とそれらの差に依存するため、実際には60
〜120゜の範囲で偏光軸の交差角を変化させ、最適化す
ればよい。

さらに、これらの偏光板の偏光軸が、その偏光板に隣
接した液晶層の対向した基板面上での液晶分子軸の交差
角をほぼ等分する方向に配置されることが好ましい。

本発明の液晶表示素子の電圧無印加時における液晶分
子軸、及び偏光板の偏光軸の相対位置を第１図及び第２
図に示した。

第１図は本発明による液晶表示素子を模式的に表わし
た斜視図であり、第２図（Ａ）（Ｂ）は、夫々上から見
た第１図の上側の第２の液晶セル及び下側の第１の液晶
セルの液晶分子軸方向と隣接する偏光板の偏光軸の相対
位置を示した平面図である。

図において１、２は上下に貼付ける偏光板、３は電圧
印加をしない第２の液晶セル、４は電圧印加により具体
的に文字等を表示する第１の液晶セルを示している。５
は上側の偏光板１の偏光軸、６は下側の偏光板２の偏光
軸、７は第２の液晶セルの上側の液晶分子軸方向、８は
第２の液晶セルの下側の液晶分子軸方向、９は第１の液
晶セルの上側の液晶分子軸方向、10は第１の液晶セルの
下側の液晶分子軸方向を示している。

本発明では、この両液晶層の隣接した液晶分子軸がほ
ぼ直交する、即ち、第２の液晶セルの下側の液晶分子軸
方向８と第１の液晶セルの上側の液晶分子軸方向９との
なす角ψがほぼ90゜とされることが好ましい。

また、この例のように一対の偏光板の偏光軸５、６は
ほぼ直交するようにされていることが好ましい。さらに
この場合、上側の偏光板１の偏光軸５は、隣接する液晶
層の液晶分子軸方向、即ち、上側の第２の液晶セル３の
上側の液晶分子軸方向７と下側の液晶分子軸方向８との
なす角θ_２のほぼ等分する方向に配置されることが好ま
しい。同様に下側の偏光板２の偏光軸６は、隣接する液
晶層の液晶分子軸方向、即ち、下側の第１のセル４の上
側の液晶分子軸方向９と下側の液晶分子軸方向10とのな
す角θ_１のほぼ等分する方向に配置されることが好まし
い。

さらに、第２の液晶セルの液晶の屈折率異方性Δn₂の
波長分散が、第１の液晶セルの液晶の屈折率異方性Δn₁
の波長分散よりも小さく、特に、0.03＜（Δn₁ ⁴⁰⁰/Δn₁
⁷⁰⁰）−（Δn₂ ⁴⁰⁰−Δn₂ ⁷⁰⁰）＜0.15程度とされる。

これにより、この液晶表示素子は、より白黒に近い表
示が可能となる。

本発明において、液晶セルを構成する基板は光学的に
等方的な透明基板であればよく、ガラス、プラスチック
等が使用可能である。

この内、具体的な内容の表示を行う第１の液晶セルを
構成する基板には、電極が形成され、所望の電極間に電
圧を印加することにより液晶をオンオフして表示を行
う。この電極としては通常ITO（In₂O₃−SnO₂）、SnO₂等
の透明電極及びこれに必要に応じて組み合わされたAl、
Cr、Ti等の低抵抗リードが使用でき、所望のパターニン
グがされる。この代表的な例としては、多数の行列状の
電極が形成されたドットマトリックス液晶表示素子があ
り、一方の基板に640本のストライプ状の電極が形成さ
れ、他方の基板にこれに直交するように400本のストラ
イプ状の電極が形成され、640×400ドットのような表示
がなされる。

液晶分子を配向させるための処理は、公知のラビング
法、斜め蒸着法等が使用でき、必要に応じて、電極上に
SiO₂、TiO₂、Al₂O₃等の無機材料の膜及び／又はポリイ
ミド、ポリアミド等の有機材料の膜を形成した後、配向
処理されればよい。

なお、本発明では、白黒表示に近い表示が得られるた
め、カラーフィルターを併用してカラフルな表示が可能
となる。特に、高デューティ駆動でも、コントラスト比
が高く採れるため、フルカラーによる階調表示も可能で
あり、液晶テレビにも使用できる。

このカラーフィルターは、セル内面に形成することに
より、視角によるズレを生じなく、より精密なカラー表
示が可能となる。具体的には、電極の下側に形成されて
もよいし、電極の上側に形成されてもよい。

また、上記説明では、電圧を印加しない第２の液晶セ
ルを上に配置したが、逆に下に配置してもよい。

また、より色を完全に白黒化する必要がある場合に
は、色を補正するためのカラーフィルターを併用した
り、特定の波長分析を有する照明を用いたりしてもよ
い。

本発明の液晶表示素子は、黒い背景に白色の表示とな
るため、通常はネガ型の表示となり、透過型で使用され
ることが多いが、反射型での使用も可能である。また、
反射型の場合には背景部分を印刷により白色に近い色と
し、表示したくない部分に選択電圧を印加するように、
逆の駆動をすることもできる。

本発明の液晶表示素子は、第１の液晶セルの一方の透
明電極を複数の行状に配置し、他方の透明電極を前記行
にほぼ直交するように複数の列状に配置し、それらの行
電極群と列電極群とを夫々行電極群駆動回路及び列電極
群駆動回路に接続し、第１の液晶セルのみに電圧を印加
して駆動を行うタイプの液晶表示装置に好適であり、特
に、ドットマトリックスタイプの液晶表示装置に適して
いる。

本発明は、この外、本発明の効果を損しない範囲内
で、通常の液晶表示素子で使用されている種々の技術が
適用可能である。

［作用］本発明の動作原理については、必ずしも明らかではな
いが、およそ次のように推定できる。

即ち、第１の液晶セルに電界が印加されていない状態
において、第１の液晶セルに進入した直線偏光が、この
第１の液晶セルを出射する時にだ円偏光化される。この
だ円偏光が第２の液晶セルに進入し、出射する時には、
ほぼ直線偏光化され、入射光側の偏光方向とほぼ平行な
方向に偏光軸をもつこととなる。この出射光に対し、直
交して偏光軸を設けると、光の吸収が起こり、黒色化す
る。

実際の駆動においては、オフ時においても非選択電圧
が印加されるため、完全な補償状態からはずれることと
なる。そのため、第１の液晶セルと第２の液晶セルのΔ
ｎの波長分散を同じにすると、このオフ時のぬけの色は
青味を帯びることとなる。そこで、第２の液晶セルに波
長分散の小さい液晶を用いると、青色波長での補償状態
が異なって、結果としてより黒に近い黒レベルを実現で
きる。

一方、第１の液晶セルに電界が印加された状態におい
ては、第１の液晶セルの液晶分子の配列が変わり、常に
電界が印加されていない第２の液晶セルの出射側で、入
射側の偏光方向とほぼ直交する方向に偏光軸が偏り、出
射側に配置された偏光板をそのまま通過するので、電界
印加部（電気的に選択されたセグメント部）が白色化
し、結果として白と黒との表示色になる。

この白状態においては、通常の条件では、黄色味を帯
びるが、本発明の条件においては、より白に近い白レベ
ルを得ることができる。

これにより、従来のスーパーツイスト液晶表示素子が
黄緑色と暗青色、青紫色と淡黄色等特定の色相の組み合
せでのみ良好なコントラストを示したのに対し、本発明
では、鮮明な白黒表示で高コントラスト比が可能とな
る。

本発明では、時分割特性がスーパーツイスト液晶表示
素子と同程度であるうえ、前述したように鮮明な白黒表
示が可能なため、赤、緑、青の三原色の微細カラーフィ
ルターをセル内面等に配置することにより、高密度のマ
ルチカラー液晶表示素子とすることも可能である。

本発明の液晶表示素子は、パーソナルコンピュータ
ー、ワードプロセッサー、ワークステーション等の表示
素子として好適であるが、この外液晶テレビ、魚群探知
器、レーダー、オシロスコープ、各種民生用ドットマト
リックス表示装置等白黒表示、カラー表示をとわず種々
の用途に使用可能である。

［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。

実施例１第１図及び第２図のような構成を有する液晶表示素子
を作成した。

１枚目の基板として、ガラス基板上に設けられたITO
透明電極をストライプ状にパターニングし、ポリイミド
のオーバーコートをし、これをラビングして配向層を形
成した基板を使用した。

２枚目の基板として、１枚目の基板とガラス基板上に
設けられたITO透明電極を１枚目の基板と直交するよう
にストライプ状にパターニングし、ポリイミドのオーバ
ーコートをし、これをラビングして配向層を形成すると
ともに、電極の形成されていないその裏側にもポリイミ
ドのオーバーコートをし、これを表側と直交するような
方向にラビングして配向層を形成した基板を使用した。

３枚目の基板として、電極の形成されていない単なる
ガラス基板を使用し、ポリイミドのオーバーコートを
し、これをラビングして配向層を形成した基板を使用し
た。

この３枚の基板の周辺をシール材でシールして、液晶
を注入する層を２つ形成した。この第１の液晶層には、
メルク社製の混合液晶「ZLI−3329」を封入し、第２の
液晶層には、メルク社製の混合液晶「ZLI−3276」を封
入した。

この第１の液晶層の混合液晶「ZLI−3329」の波長分
散の比Δn₁ ⁴⁰⁰/Δn₁ ⁷⁰⁰は1.23であり、第２の液晶層の
混合液晶「ZLI−3276」の波長分散の比Δn₂ ⁴⁰⁰/Δn₂ ⁷⁰⁰
は1.16であった。即ち、（Δn₁ ⁴⁰⁰/Δn₁ ⁷⁰⁰）−（Δn₂
⁴⁰⁰/Δn₂ ⁷⁰⁰）の値は0.07であった。

これらの両方の液晶層のツイスト角はともに240゜と
し、互いに逆ねじれとし、Δn₁・d₁とΔn₂・d₂の値はと
もに0.8μｍとした。

この液晶セルの両面に夫々偏光板を隣接の対向した基
板の液晶分子軸の交差角を等分した方向に配置した。こ
れにより、一対の偏光板の偏光軸は直交する状態とされ
た。

この液晶表示素子を裏側に冷陰極放電管付のバックラ
イトを配置して、1/200デューティ、1/15バイアスで駆
動した。

比較例として、２つの液晶層に共にメルク社製の混合
液晶「ZLI−3329」を封入して、Δn₁・d₁とΔn₂・d₂の
値はともに0.8μｍとした以外は実施例１と同様にして
液晶表示素子を製造した。この比較例の液晶表示素子も
実施例と同様の条件で駆動した。

第３図は、これら実施例と比較例の駆動時の表示色の
状態を示す図であり、「○」はこの実施例のオン状態
を、「●」はこの実施例のオフ状態を、「□」は比較例
のオン状態を、「■」は比較例のオフ状態を示してい
る。

この図からも明らかなように、オン状態、オフ状態の
いずれにおいても実施例の素子は比較例の素子よりも夫
々よりＣ光源に近い色を示しており、この実施例が比較
例よりもより白黒に近いことがわかる。

なお、この実施例の素子の、非選択電圧に相当するセ
グメントは黒色、選択電圧に相当するセグメントは白色
であり、コントラスト比（画素部分）は約30であった。

実施例２実施例１の液晶表示素子の電極上にストライプ状に３
色のカラーフィルター層を形成して駆動したところ、中
間調においても良好な色再現性を有するフルカラーの階
調駆動が可能であった。

［発明の効果］以上に説明したように本発明は、従来のスーパーツイ
スト液晶表示素子と同等またはそれ以上のコントラスト
比を持ちながら、より白黒に近い表示が可能となり、表
示として鮮明でかつ表示品位が高い表示が得られる。

また、時分割表示特性や視野角の広さも従来のスーパ
ーツイスト液晶表示素子と遜色ない等の優れた効果を有
する。

また、表示が白黒に近いということから、カラーフィ
ルターと組み合わせることにより、カラフルな表示が可
能となり、特に、赤、緑、青のカラーフィルターを画素
ごとに配置することにより、マルチカラーやフルカラー
の表示も実現できるという効果も認められ、より多様性
のある応用が開ける。

本発明は、本発明の効果を損しない範囲内で公知の液
晶表示素子に使用される種々の応用が可能なものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による液晶表示素子を模式的に表わした
斜視図である。第２図（Ａ）（Ｂ）は、夫々上から見た第１図の上側の
第２の液晶セル及び下側の第１の液晶セルの液晶分子軸
方向と隣接する偏光板の偏光軸の相対位置を示した平面
図である。第３図は、実施例及び比較例の表示色を示す色度図であ
る。１、２は偏光板、３は電圧印加をしない第２の液晶セル、４は電圧印加をする第１の液晶セル、５は上側の偏光板１の偏光軸、６は下側の偏光板２の偏光軸、７は第２の液晶セルの上側の液晶分子軸方向、８は第２の液晶セルの下側の液晶分子軸方向、９は第１の液晶セルの上側の液晶分子軸方向、 10は第１の液晶セルの下側の液晶分子軸方向

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ほぼ平行に配置された一対の透明電極基板
間に、旋光性物質を含有し、その電圧無印加時における
両電極間での液晶分子のツイスト角を160〜300゜とした
誘電異方性が正のネマチック液晶を挟持した第１の液晶
セルと、ほぼ平行に配置された一対の基板間外側に、旋
光性性物質を含有し、その電圧無印加時における両電極
間での液晶分子のツイスト角を第１の液晶セルとほぼ同
じツイスト角で、かつそのらせん方向が逆であるネマチ
ック液晶を挟持した第２の液晶セルとを積層し、その外
側に一対の偏光板を設置した液晶表示素子において、第
２の液晶セルに封入した液晶の屈折率異方性Δn₂の波長
分散が、第１の液晶セルに封入した液晶の屈折率異方性
Δn₁の波長分散よりも小さくされたことを特徴とする液
晶表示素子。
【請求項２】第１の液晶セルと第２の液晶セルの隣接し
た液晶分子の配向方向がほぼ直交するように配置された
請求項１の液晶表示素子。
【請求項３】偏光板の偏光軸が、対向した基板面上での
液晶分子軸の交差角をほぼ等分する方向に配置されてい
る請求項１または２の液晶表示素子。
【請求項４】400nmと700nmにおける、第２の液晶セルの
液晶の屈折率異方性Δn₂と、第１の液晶セルの液晶の屈
折率異方性Δn₁とが次の関係式を満たすことを特徴とす
る請求項１〜３のいずれか１項の液晶表示素子。 0.03＜（Δn₁ ⁴⁰⁰/Δn₁ ⁷⁰⁰） −（Δn₂ ⁴⁰⁰/Δn₂ ⁷⁰⁰）＜0.15
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項の液晶表示素
子の第１の液晶セルの一方の透明電極を複数の行状に配
置し、他方の透明電極を前記行にほぼ直交するように複
数の列状に配置し、それらを夫々行電極群駆動回路及び
列電極群駆動回路に接続し、第１の液晶セルのみに電圧
を印加して駆動を行なうことを特徴とする液晶表示装
置。