JP2768977B2

JP2768977B2 - 液晶素子及びそれを用いた装置

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Publication number: JP2768977B2
Application number: JP1127870A
Authority: JP
Inventors: 實赤▲塚▼; 祐二早田; 和利沢田
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1989-05-23
Filing date: 1989-05-23
Publication date: 1998-06-25
Anticipated expiration: 2013-06-25
Also published as: JPH02308128A

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 J.Nehring,Appl.,Phys.,Lett.45
（10）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0.6μｍ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.Schadt et al,Appl.Phys.Lett.50（５）,198
7,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、白黒表示でかつコントラストの高い液晶表示素
子として、互いに逆らせんの液晶セルを２層積層し、一
方のセルのみ電圧を印加し、他方のセルは単なる光学的
な補償板として使用する方式が提案されている。（奥村
ほか、テレビジョン学会技術報告、11（27）,p.79,（19
87））しかし、この方式は２層セルでのΔｎ・ｄのマッチン
グが非常に厳しく、歩留りの向上が困難な上、液晶セル
が２層必要なため、液晶セルの薄く軽いという特長を犠
牲にしている欠点があった。

また、上述した２層セルの一方を１軸性の複屈折フィ
ルムで置き換え、白黒表示を可能にしたフィルム積層型
液晶表示素子も提案されている（特開昭63−271415号
等）。

［発明の解決しようとする課題］このような１軸性の複屈折フィルム方式のフィルム積
層型液晶表示素子では、液晶セルの補償を１軸性の複屈
折フィルムで行っているので、垂直方向では見栄えが良
いが、斜め方向から見た場合に色付いたり、白黒が逆転
したりする欠点があった。このため、明るく、白黒度が
良く、かつ、視野角の広い液晶表示素子を、歩留り良く
生産することが困難であった。

明るく視野角の広い白黒表示素子は、単に特有な色付
きがなく見易いというだけでなく、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またはフルカラ
ー表示を実現でき、薄く、軽く、低消費電力という特長
を発揮して、その市場が飛躍的に拡大すると予想され
る。

このため、コントラストがよく、明るく、かつ、視野
角の広い白黒表示素子を、歩留りよく生産できる液晶表
示素子が望まれていた。

［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配向制御膜を有する一対の透
明電極付きの基板間に挟持された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によるねじれ角が160
〜300゜の液晶層と、この液晶層を挟持する上下の基板
の透明電極間に電圧を印加する駆動手段とを有し、この
液晶層の外側に一対の偏光板を設置し、液晶層と偏光板
との間の片側に複数の複屈折板を積層配置した液晶表示
素子において、液晶層での液晶の屈折率異方性Δn₁と液
晶層の厚みd₁との積Δn₁・d₁が0.4〜1.5μｍとされ、前
記複数の複屈折板は、その光軸が面内にある正の一軸性
複屈折板と、光軸が膜厚方向にある正の一軸性複屈折板
とを夫々１枚以上用い、前記複数の複屈折板の厚みを考
慮した３方向の総加平均の主屈折率をn_xs、n_ys、n_zsと
し、n_xs、n_ysを面内方向の屈折率とし（n_xs＞n_ys）、n
_zsを複屈折板の厚み方向の屈折率とした場合、n_xs＞n_zs
＞n_ysとなるような複屈折板を配置したことを特徴とす
る液晶表示素子を提供するものである。

本発明では、液晶層と偏光板との間の片側に、光軸が
面内にある正の一軸性複屈折板と、光軸が膜厚方向にあ
る正の一軸性複屈折板とを夫々少なくとも１枚以上積層
して用いる。これらの複数の複屈折板の厚みを考慮した
３方向の総加平均の主屈折率をn_xs、n_ys、n_zsとし、
n_xs、n_ysを複屈折板面内方向の屈折率とし（n_xs＞
n_ys）、n_zsを複屈折板の膜厚方向の屈折率とした場合、
n_xs＞n_zs＞n_ysとなるような関係を有する複屈折板を配
置したものである。

このため、液晶層は１層でよく、生産性を下げたり、
色ムラを起こしやすい第２の液晶層を設けなくても、明
るい白黒表示の液晶表示素子が容易に得られる。さら
に、１軸性の複屈折板を単に１枚のみ用いた場合に比し
て、斜め方向から見た場合の表示の品位の劣化が少な
く、視野角の広い白黒表示の液晶表示素子が容易に得ら
れる。

この液晶層は従来のスーパーツイスト液晶表示素子の
液晶層と同じ構成の液晶層であり、電極群が対向してお
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、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。これは、160゜未満では急峻
な透過率変化が必要とされる高デューティでの時分割駆
動をした際のコントラストの向上が少なく、逆に300゜
を越えるとヒステリシスや光を散乱するドメインを生じ
易いためである。

また液晶層の液晶の屈折率異方性（Δn₁）とその液晶
層の厚み（d₁）との積Δn₁・d₁が0.4〜1.5μｍとされ
る。

これは、0.4μｍ未満では、オン時の透過率が低く、
青味がかった表示色になりやすく、また、1.5μｍを越
えると、オン時の色相が黄色から赤色を呈し、白黒表示
となりにくい。

特に、表示色の無彩色化が厳しく要求される用途で
は、液晶層のΔn₁・d₁は0.5〜1.0μｍとされることが好
ましい。

なお、このΔn₁・d₁の範囲は、その液晶表示素子の使
用温度範囲内で満足されるようにされることが好まし
く、使用温度範囲内で美しい表示が得られる。もっとも
外の性能の要求のために、使用温度範囲の一部でのみ、
この関係を満足するようにされることもありうる。この
場合には、Δn₁・d₁の範囲が上記範囲からはずれる温度
範囲では、表示が色付いたり、視野角特性が低下したり
することとなる。

所望のパターンにパターニングをしたITO（In₂O₃−Sn
O₂）、SnO₂等の透明電極を設けたプラスチック、ガラス
等の基板の表面にポリイミド、ポリアミド等の膜を設
け、この表面をラビングしたり、SiO等を斜め蒸着した
りして配向制御膜を形成した透明電極付きの基板を準備
して、この透明電極付きの基板の間に、前記した誘電異
方性が正のネマチック液晶による160〜300゜ツイストの
液晶層を挟持するようにされる。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。さらにこの640本のス
トライプ状の電極を夫々３本一組として1920本のストラ
イプ状の電極とし、RGBのカラーフィルターを配置して
フルカラーで640×400ドットの表示をすることもでき
る。

なお、電極と配向制御膜との間に基板間短絡防止のた
めにTiO₂、SiO₂、Al₂O₃等の絶縁膜を設けたり、透明電
極にAl、Cr、Ti等の低抵抗のリード電極を併設したり、
カラーフィルターを電極の上もしくは下に積層したりし
てもよい。

この液晶層の両外側に一対の偏光板を配置する。この
偏光板自体もセルを構成する基板の外側に配置すること
が一般的であるが、性能が許せば、基板自体を偏光板と
複屈折板で構成したり、基板と電極との間に複屈折層と
偏光層として設けてもよい。

本発明では、上記液晶層の片側に隣接して、光軸が面
内にある正の一軸性複屈折板と、光軸が膜厚方向にある
正の一軸性複屈折板とを夫々少なくとも１枚以上積層す
る。これらの複屈折板は、液晶層と偏光板との間に設け
ればよく、例えば、液晶層と電極の間に層状に設けた
り、電極と基板の間に層状に設けたり、基板自体を複屈
折板としたり、基板と偏光板との間に層状に設けたり、
それらを組み合わせて設けたりすれば良い。また、これ
らの複屈折板の積層する順序は、いずれが液晶層側に来
てもよい。

本発明の複屈折板は、後述の複屈折性を示す透明板で
あれば使用でき、プラスチックフィルム、無機の結晶板
等が使用可能である。

この複屈折板の内、光軸が面内にある正の一軸性複屈
折板とは、その３個の主屈折率をn_x1、n_y1、n_z1とし、n
_x1、n_y1を複屈折板面内方向の屈折率とし（n_x1＞
n_y1）、n_z1を複屈折板の膜厚方向の屈折率とした場合、
光軸がｘ軸方向になり、n_x1＞n_y1＝n_z1となるような複
屈折板である。

また、光軸が膜厚方向にある正の一軸性複屈折板と
は、その３個の主屈折率をn_x2、n_y2、n_z2とし、n_x2、n
_y2を複屈折板面内方向の屈折率とし（n_x2＝n_y2）、n_x2
を複屈折板の膜厚方向の屈折率とした場合、n_z2＞n_x2＝
n_y2となるような複屈折板である。

本発明では、この光軸が面内にある正の一軸性複屈折
板と光軸が膜厚方向にある正の一軸性複屈折板とを、夫
々少なくとも１枚積層して用い、その膜厚を考慮して総
合した平均の３方向の主屈折率をn_xs、n_ys、n_zsとし、n
_xs、n_ysを複屈折板面内方向の屈折率とし（n_xs＞
n_ys）、n_zsを複屈折板の膜厚方向の屈折率とした場合
に、n_xs＞n_zs＞n_ysとなるような複数の複屈折板を積層
する。

ここで、n_xs、n_ys、n_zsについて説明する。

この光軸が面内のｘ軸方向にある正の一軸性複屈折板
がｉ枚あり、夫々の３方向の主屈折率をn_x1i、n_y1i、n
_z1i（n_x1i＞n_y1i＝n_z1i）とし、膜厚をl_1iとする。ま
た、同様に光軸が膜厚方向であるｚ軸方向にある正の一
軸性複屈折板がｊ枚あり、夫々の３方向の主屈折率をn
_x2j、n_y2j、n_z2j（n_z2j＞n_x2j＝n_y2j）とし、膜厚をl_2j
とする。この場合、これらの厚みを考慮した３方向の屈
折率の総加平均n_xs、n_ys、n_zsは以下のように表わせ
る。

所望の複屈折効果を得るためには、複屈折板のリター
デーションΔn₂・d₂を調整して使用するが、夫々１枚づ
つの複屈折板では調整できない場合には、上述したよう
に同じ複屈折板または異なる複屈折板を積層して用い、
３個の主屈折率の方向が夫々一致するように複数枚組合
せて用いて、Δn₂・d₂＝（n_xs−n_ys）・d₈が条件を満足
するように設定すればよい。

良好な白黒表示を行うためには、ある特定のツイスト
角とΔn₁・d₁を持った液晶層に対し、複屈折板のΔn₂・
d₂の大きさ及びそれらの貼り付け方向、さらに一対の偏
光板の偏光軸の方向を最適化することが重要である。

複屈折板のΔn₂・d₂の大きさは、この複屈折板を液晶
層と偏光板の間の片側に配置するため、概略液晶層のΔ
n₁・d₁の大きさとほぼ同じの値か、それよりも少し小さ
めに設定すれば良好な白黒表示を得易い。具体的には、
約0.1〜1.5μｍとされればよい。

そして、次に角度依存性を良くするために、n_zsの調
整が必要である。

本発明では、（n_zs−n_ys）／（n_xs−n_ys）の値を0.1
以上にすることが好ましい。これは、この値が0.1未満
の場合には、一軸性の複屈折板を１枚だけ使用した場合
との効果の差が十分得られにくいためである。

以下図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。

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図の上側の偏光板の偏光軸方向、光軸が面内方向
にある正の一軸性の複屈折板の光軸方向及び液晶層の上
側の液晶分子の長軸方向、並びに、下側の偏光板の偏光
軸方向及び液晶層の下側の液晶分子の長軸方向の相対位
置を示した平面図である。

第１図において、１、２は一対の偏光板、３は文字や
図形を表示するためのΔn₁・d₁が0.4〜1.5μｍの誘電異
方性が正のネマチック液晶によるねじれ角が160〜300゜
の左らせん（上から見て反時計方向のねじれ）液晶層、
4Aはその上に積層された光軸が面内方向にある正の一軸
性の複屈折板、4Bは光軸が膜厚方向にある正の一軸性の
複屈折板、５は上側の偏光板の偏光軸、６は下側の偏光
板の偏光軸、７は液晶層の上側の液晶分子、８は液相層
の下側の液晶分子、9Aは光軸が面内方向にある正の一軸
性の複屈折板4Aの光軸の方向、9Bは光軸が膜厚方向にあ
る正の一軸性の複屈折板4Bの光軸の方向を示している。

本発明で用いる複屈折板の屈折率の定義について第３
図を参照して説明する。

先ず第３図のように座標軸をとる。第３図において、
4Aは光軸が面内方向にある正の一軸性の複屈折板であ
り、ｘ軸方向を光軸方向とすると、その３個の主屈折率
n_x1、n_y1、n_z1に対し、n_x1＞n_y1＝n_z1の関係がある。

また、4Bは光軸が膜厚方向にある正の一軸性の複屈折
板であり、n_z2＞n_x2＝n_y2の関係がある。

また、本発明ではこれらの複屈折板の厚みを考慮した
３方向の屈折率の総加平均n_xs、n_ys、n_zsに対し、n_xs＞
n_zs＞n_ysを満足することが必要である。

即ち、第３図の場合には、の関係を有することが必要となる。

第２図において、液晶層の上側の液晶分子７の長軸方
向からみた上側の偏光板の偏光軸５の方向を時計回りに
計ったものをθ_１、液晶層の上側の液晶分子７の長軸方
向からみた光軸が面内方向にある正の一軸性の複屈折板
4Aの光軸の方向9Aを時計回りに計ったものをθ_２、液晶
層の下側の液晶分子８の長軸方向からみた下側の偏光板
の偏光軸６の方向を時計回りに計ったものをθ_３とす
る。本発明ではこのθ_１、θ_２、θ_３を白黒表示となる
ように最適化すればよい。なお、光軸が膜厚方向にある
正の一軸性の複屈折板は、当然ながら挿入しさえすれば
良く、その方向には依存しない。

本発明の液晶表示素子をネガ型表示で使用する場合
に、例えば、液晶層のねじれ角を240゜程度とし、その
Δn₁・d₁を0.87μｍ程度とし、その上に配置した複屈折
板のΔn₂・d₂を0.58μｍ程度とすれば、一対の偏光板の
偏光軸をほぼ０〜60゜程度の角度で交差するように配置
することが好ましい。

また、同じ液晶層と複屈折板とを使用し、ポジ型表示
で使用する場合には、片側の偏光板の偏光軸をほぼ90゜
回転した状態に配置することが好ましい。これにより、
この液晶表示素子は、視角特性に優れたコントラストの
高い白黒表示が可能となる。

この場合、特にネガ表示については、40゜≦θ_２≦14
0゜とすることにより、オフの透過率が低く、オンの透
過率が高い充分なコントラストを持つ表示が実現できる
ため好ましい。

特に、60゜≦θ_２≦120゜とすることにより、オフの
透過率が低く、充分なコントラスト比が得られるため好
ましい。

また、上記例では、液晶層を左らせんとしたが、らせ
んが逆の場合には、液晶層の液晶分子の長軸方向、偏光
板の偏光軸の方向、光軸が面内方向にある正の一軸性の
複屈折板の光軸の方向との関係θ_１、θ_２、θ_３を反時
計回りにして、同様に選ぶことにより、上記例と同様に
容易に白黒表示が得られる。

また、この複屈折板を液晶セルの下側に挿入した場合
には、セルを下側から見て前述した関係と同様になるよ
うにθ_１、θ_２、θ_３を選べば良い。

以上の説明は、液晶表示素子の垂直方向に対して得ら
れた最適化であり、光軸が面内方向にある正の一軸性の
複屈折板のみを用いた場合と同様である。しかし、この
一軸性の複屈折板のみで補償した場合には、垂直方向で
はうまく補償して高コントラストの白黒素子にできて
も、斜め方向では補償がずれて色付いたり、白黒が逆転
してしまうことがある。

本発明では、n_xs＞n_zs＞n_ysとすることにより、斜め
方向から見た場合の色付を防止し、見栄えを向上させる
ことができる。

このn_zsは、n_xsより大きくても、n_ysより小さくて
も、角度依存性は低下し、斜め方向から見た場合の見栄
えが低下する。特に、（n_zs−n_ys）／（n_xs−n_ys）≧0.
1とすることにより、斜め方向から見た場合の見栄えの
向上が大きい。

本発明における複屈折板としては、２種類の一軸性複
屈折板が必要である。光軸が面内にある正の一軸性複屈
折板としては、通常の一軸延伸フィルムや結晶板を用い
ることができる。また、光軸が膜厚方向にある正の一軸
性複屈折板としては、特殊な製法による高分子フィル
ム、例えば高分子液晶フィルムやLB膜または結晶板等が
用いられる。また、これらの複屈折板は厚み方向の屈折
率が均一でなくても使用でき、厚み方向の平均の屈折率
が前記した条件を満足していればよい。

なお、本発明では、白黒表示に近く、視野角の広い表
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、フルカリーによる階
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、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や、カラー偏
光板を併用したり、液晶中に色素を添加したり、あるい
は特定の波長分布を有する照明を用いたりしてもよい。

本発明は、このような構成の液晶セルに電極に電圧を
印加するための駆動手段を接続し、駆動を行う。

特に、本発明では明るい表示が可能なため、透過型で
も反射型でも適用可能であり、その応用範囲が広い。

なお、透過型で使用する場合には裏側に光源を配置す
る。もちろん、これにも導光体、カラーフィルター等を
併用してもよい。

本発明の液晶表示素子は透過型で使用することが多い
が、明るいため反射型で使用することも可能である。

透過型で使用する場合、画素以外の背景部分を印刷等
による遮光膜で覆うこともできる。また、遮光膜を用い
るとともに、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。

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、前述したように明るく鮮明な
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。

［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。

まず、液晶表示素子を垂直方向から見た場合について
考察する。

第４図（Ａ）は、本発明の液晶表示素子と対比するた
めに複屈折板を使用しないスーパーツイスト液晶表示素
子の構成を示す側面から見た模式図であり、ねじれ角が
160〜300゜で、Δn₁・d₁が0.4〜1.5μｍの正の誘電異方
性を有するネマチック液晶による液晶層13、とその上下
に配置された一対の偏光板11、12とを示している。この
例では上下に配置された一対の偏光板11、12の偏光軸の
交差角を90゜としている。

このような構成の液晶表示素子の場合、液晶層に電圧
が印加されていない状態または非選択電圧のような低い
電圧が印加された状態において、入射側の下側の偏光板
12を通してほぼ完全に直線偏光化された光が、この液晶
層13を透過すると、だ円偏光状態となる。このだ円偏光
の形や方向は光の波長により異なり、光を赤緑青の３原
色に分けて考えると、第４図（Ｂ）のようになる。これ
らの形も方向も異なっただ円偏光が出射側の上側の偏光
板11を通過すると、赤緑青の光によって通過する光の強
度が夫々異なり、そのため特定の色に着色して見えるこ
ととなる。なお、第４図（Ｂ）において、15、16は夫々
偏光板11、12の偏光軸を示す。

これに対して、本発明では第５図（Ａ）にその側面か
ら見た模式図を示すように、ねじれ角が160〜300゜で、
Δn₁・d₁が0.4〜1.5μｍの正の誘電異方性を有するネマ
チック液晶による液晶層23、その上側に配置された光軸
が面内にある正の一軸性の複屈折板24A、光軸が膜厚方
向にある正の一軸性の複屈折板24B、さらに上下に配置
された偏光板21、22とを示している。

この例では、液晶層のねじれ角を240゜、Δn₁・d₁を
0.87μｍとし、上下に配置された一対の偏光板21、22の
偏光軸の交差角を30゜としている。なお、この例では説
明を簡単にするために本発明の２種類の複屈折板を液晶
セル上面に１枚づつ配置して使用しているが、夫々２枚
以上の複屈折板を３個の主屈折率の方向が夫々一致する
ように積層して用いても良い。

この複屈折板は、それ自体を偏光板の間に挟持する
と、垂直方向から見た場合、この複屈折板のΔn₂・d₂の
値によって、入射直線偏光を任意のだ円偏光にしたり、
円偏光にしたり、あるいは直線偏光に戻したりできる性
質がある。そのため、適当なΔn₂・d₂の複屈折板を液晶
層に重ねることにより、第５図（Ｂ）のようにすること
ができる。

即ち、液晶層に電圧が印加されていない状態または非
選択電圧のような低い電圧が印加された状態において、
入射側の下側の偏光板22を通してほぼ完全に直線偏光化
された光が、液晶層23を透過するとだ円偏光状態とな
る。このだ円偏光となった光が複屈折板24Bを通過する
が、この複屈折板は光軸が膜厚方向にあるため、垂直方
向に進行する光に対しては何等影響を与えない。次に、
このだ円偏光は複屈折板24Aを通過するが、この複屈折
板は所謂普通の一軸性の複屈折板であるため、条件によ
ってはだ円偏光を再度直線偏光に近い状態に戻しうる。

これは、光を赤緑青の３原色に分けて考えると、第５
図（Ｂ）のようになる。この例のように、赤緑青の偏光
軸の方向がほぼ揃い、かつ、ほぼ直線偏光に戻っている
場合、出射側の偏光軸の向きにかかわらず、通過する光
強度の波長依存性をなくすことができる。即ち、無彩色
化することができることとなる。

この例のように、その偏光軸を30゜程度交差して偏光
板を設置して、出射側での偏光が出射側である上側の偏
光板の吸収軸と一致している場合には、透過光強度は最
も小さくなり、黒く見えることとなる。これにより、ネ
ガ表示となる。なお、第５図（Ｂ）において25、26は夫
々偏光板21、22の偏光軸を示す。

逆に、上側の偏光板の偏光軸を90゜回転して出射側の
偏光の方向とほぼ平行にしてあれば、これらの強度は大
きいこととなり白く見えることとなり、ポジ表示とな
る。

なお、表示のネガ、ポジは、液晶層のねじれ角、その
Δn₁・d₁、複屈折板のΔn₂・d₂、それらと偏光板との角
度θ_１、θ_２、θ_３等の構成要件を変えることにより、
変わる。

一方、この構成で液晶層に充分な電圧を印加した場合
には、液晶層を透過しただ円偏光の形や方向が電圧印加
前と異なってくる。

そのため、複屈折板を通過した後のだ円偏光状態も異
なり、これによって透過率が変化し、表示が可能にな
る。

しかし、複屈折板の挿入により、電圧を印加しない状
態でうまくだ円偏光の形や方向を揃えられて黒または白
の状態ができたとはいえ、かならずしも電圧印加状態で
白または黒の状態になるとは限らない。このため、液晶
層のツイスト角、Δn₁・d₁等のパラメータにより、複屈
折板のΔn₂・d₂、その光軸方向、偏光板の偏光軸方向等
を実験的に最適化することが好ましい。

このように、液晶表示素子を垂直方向から見た場合に
は、複屈折板として単に光軸が面内方向にある一軸性の
複屈折板のみを使用しても、条件を最適化すれば、良好
な白黒表示素子を得ることができる。

しかし、このような白黒表示素子を斜め方向から見た
場合には、表示が色付いて見えたり、白黒が逆転して見
えたりすることがある。

これは、もともと液晶分子自体は一軸性であるが、第
６図のように液晶セル内ではらせん構造を取っており、
さらにマルチプレックス駆動のために、液晶セルに選択
電圧や非選択電圧を印加した場合には、中央付近の液晶
分子が立ち上がっているため、もはや一軸性の媒体とは
見なせなく、疑似的な二軸性の媒体と見なせるためであ
る。

また、この時、第６図のように、液晶セル中央付近の
液晶分子に着目し、この領域における平均的な主屈折率
をn_Lx、n_Ly、n_Lz（ここでn_Lxは中央の液晶分子の基板へ
の投影方向における平均的屈折率、n_Lyは基板面内にあ
りn_Lxと直角な方向の平均的屈折率、n_Lzは膜厚方向の平
均的屈折率）とすると、この領域では液晶分子が少しら
せん構造を取っており、かつ、立ち上がっているので、
n_Lx＞n_Lz＞n_Lyとなっていることが予想される。

このため、このような液晶セルを斜め方向からも補正
するためには、同じような特性の複屈折板が好ましく、
本発明のn_xs＞n_zs＞n_ysとなるような複屈折板を使用す
ることが好ましいこととなる。

本発明では、第５図の複屈折板24A、24Bの組み合せに
よって、このような特性を持たせている。即ち、前述し
たように、複屈折板24Bは光軸が膜厚方向にある正の一
軸性複屈折板であるため、垂直方向に進行する光に対し
ては何等影響を与えない。しかし、液晶セルに対して斜
めに進行する光に対しては、複屈折性が発生することと
なる。このため、複屈折板24Aとのマッチングをうまく
とることにより、n_xs＞n_zs＞n_ysとなり、液晶層の２軸
性をうまく補正することができる。

［実施例］実施例１〜６第１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、蒸着法により
SiO₂による短絡防止用の絶縁膜を形成し、ポリイミドの
オーバーコートをスピンコートし、これをラビングして
配向制御膜を形成した基板を作成した。

第２の基板として、ガラス基板上に設けられたITO透
明電極を第１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、SiO₂の絶縁膜を形成し、ポリイミドのオ
ーバーコートをし、これを第１の基板のラビング方向と
交差角60゜となるようにラビングして配向制御膜を形成
した基板を作成した。

この２枚の基板の周辺をシール材でシールして、液晶
セルを形成し、この液晶セル内に誘電異方性が正のネマ
チック液晶を注入して240゜ねじれの液晶層となるよう
にし、注入口を封止した。この液晶層ではΔn₁・d₁は0.
87μｍであった。

この液晶セルの上面と上側の偏光板との間に第１表
（実施例１〜３）、第２表（実施例４〜６）及び第３表
（比較例１〜３）に示すような屈折率を持つ種々の複屈
折板を夫々貼り付けて視野角の広さを比較した。

この液晶表示素子の液晶分子の長軸方向、偏光板の偏
光軸方向及び光軸が面内にある正の一軸性の複屈折板の
光軸の方向との相対的な関係は、θ_１＝45゜、θ_２＝95
゜、θ_３＝135゜とした。

また、評価は、1/200デューティ、1/15バイアスで駆
動してオン状態、オフ状態でのコントラスト比で行っ
た。

その結果を第７図〜第15図に示す。第７図〜第15図
は、等コントラスト曲線と呼ばれるもので、セルの観察
方向を極座標表示し、その角度を（θ、Ψ）と表わした
場合、この（θ、Ψ）により、液晶セルのコントラスト
比がどのように変化しているかをθを０〜50゜で変化さ
せ、Ψを０〜360゜変化させて示したものである。な
お、Ψは図の主視角方向（下方）を０゜とし、反時計回
りに０〜360゜とし、θは中心を０゜とし、同心円状に
０〜50゜とした。コントラスト比の曲線は１、10、50の
みを示した。

第７図〜第12図が、本発明による液晶表示素子の実施
例であり、第13図〜第15図は比較例である。

本発明では、第１表、第２表に示すように、n_xs＞n_zs
＞n_ysとなるような複屈折板を使用しているので、従来
の単なる一軸性の複屈折板のみの場合（n_xs＞n_ys＝
n_zs、比較例１、第13図）より、斜線で示したコントラ
スト比が１以下、即ち、白黒のコントラストが逆転して
しまう領域が非常に小さくなった。また、コントラスト
比が高い領域（10以上）も広くなり、視野角が広く高コ
ントラスト比の素子が可能になった。

一方、本発明以外の複屈折板を用いた場合、即ち、比
較例２（n_xs＞n_ys＞n_zs）及び比較例３（n_zs＞n_xs＞
n_ys）の場合には、夫々第14図及び第15図のように、や
はり本発明のものよりも視野角が狭く、かつ、コントラ
スト比の高い領域も狭いことがわかった。

実施例７〜12 実施例１〜６の液晶表示素子の電極付の基板の一方の
基板として、基板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、その上に電極を形成した電極付基板
を用いてセルを構成し、駆動したところ、フルカリーの
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２層型スーパ
ーツイスト液晶表示素子または一軸性複屈折板を積層し
たスーパーツイスト液晶表示素子と比べて、広い視野角
及びより優れたコントラスト比を持つ白黒表示が可能と
なり、鮮明で表示品位の高いポジ型あるいはネガ型の表
示が得られる。

また、時分割表示特性や視野角特性も従来のスーパー
ツイスト液晶表示素子と遜色がない等の優れた効果を有
する。

また、表示が白黒に近く、かつ、広視野ということか
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。

特に、本発明では白黒表示が可能であるにもかかわら
ず、明るい表示が可能であり、透過型のみならず、反射
型の表示も可能であり、その応用範囲が広いものであ
る。

さらに、本発明では、単に複屈折板を配置するのみ
で、第２の液晶層を設けなくても明るい白黒表示が可能
なものであり、液晶表示素子の生産性が極めて高いとい
う利点も有する。

本発明は、本発明の効果を損しない範囲内で今後とも
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、夫々上から見た上側及び下側の
液晶分子の長軸方向、偏光板の偏光軸方向及び光軸が面
内方向にある正の一軸性の複屈折板の光軸の方向の相対
位置を示した平面図である。第３図は、本発明に使用する２種類の複屈折板の主屈折
率の定義を示す斜視図。第４図（Ａ）（Ｂ）は、単なるスーパーツイスト液晶表
示素子の構成を示した模式図及びその偏光の状態を説明
する平面図。第５図（Ａ）（Ｂ）は、本発明の液晶表示素子の構成を
示した模式図及びその偏光の状態を説明する平面図。第６図は、液晶セルの分子配列を示した図。第７図〜第15図は、液晶表示素子の等コントラスト曲線
を示した図。１、２、11、12、21、22は偏光板、３、13、23は液晶層、 4A、4B、24A、24Bは複屈折板、５、６、15、16、25、26は偏光軸、７、８は液晶分子の長軸方向、 9A、9Bは複屈折板の光軸の方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02F 1/1335 G02F 1/133 500

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ほぼ平行に配置され配向制御膜を有する一
対の透明電極付きの基板間に挟持された旋光性物質を含
有した誘電異方性が正のネマチック液晶によるねじれ角
が160〜300゜の液晶層と、この液晶層を挟持する上下の
基板の透明電極間に電圧を印加する駆動手段とを有し、
この液晶層の外側に一対の偏光板を設置し、液晶層と偏
光板との間の片側に複数の複屈折板を積層配置した液晶
表示素子において、液晶層での液晶の屈折率異方性Δn₁
と液晶層の厚みd₁との積Δn₁・d₁が0.4〜1.5μｍとさ
れ、前記複数の複屈折板は、その光軸が面内にある正の
一軸性複屈折板と、光軸が膜厚方向にある正の一軸性複
屈折板とを夫々１枚以上用い、前記複数の複屈折板の厚
みを考慮した３方向の総加平均の主屈折率をn_xs、n_ys、
n_zsとし、n_xs、n_ysを面内方向の屈折率とし（n_xs＞
n_ys）、n_zsを複屈折板の厚み方向の屈折率とした場合、
n_xs＞n_zs＞n_ysとなるような複屈折板を配置したことを
特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】複数の複屈折板の厚みを考慮した３方向の
総加平均の主屈折率について、（n_zs−n_ys）／（n_xs−n
_ys）≧0.1とされ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】セル内面にカラーフィルターが形成されて
いることを特徴とする請求項１または２記載の液晶表示
素子。
【請求項４】液晶層の上側の液晶分子の長軸方向から、
光軸が面内方向にある複屈折板の光軸の方向を時計回り
に計ったものをθ_２とした場合に40゜≦θ_２≦140゜と
されていることを特徴とする請求項１、２または３記載
の液晶表示素子。
【請求項５】請求項１、２、３または４記載の液晶表示
素子を備え、階調駆動によって表示が行われることを特
徴とするドットマトリックス表示装置。