JPH0792457A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ２枚の電極１３、１４を設けた基板１１、１
２間にネマティック液晶からなりベンド配向される液晶
層２０を挟持する液晶表示素子で、一画素ごとの電極に
３０μｍ以下の微細な領域単位で導電体部１３ａ（１４
ａ）と非導電体部１３ｂ（１４ｂ）を形成し、両基板間
で一方の電極の導電体部１３ａ（１４ａ）と他方の電極
の非導電体部１４ｂ（１３ｂ）が対向して配置される。 【効果】散乱特性が高く、駆動電圧が低い、階調性に優
れしかも広視野角特性の液晶表示素子が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示素子に係わ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に液晶表示素子（以下ＬＣＤと略
称）を光制御の観点から分類すると、明暗の変化を液晶
分子の偏光効果と偏光子を組み合わせにより生じさせる
ものと、液晶の相転移を利用し、光の散乱と透過により
生じさせるもの、及び染料を添加し、染料の可視光吸収
量を制御し、色の濃淡変化により生じさせるもの等に分
けられる。

【０００３】前者の偏光効果と偏光子を組み合わせたＬ
ＣＤは、例えば９０°ねじれた分子配列をもつツイステ
ッドネマティック（ＴＮ）型液晶であり、原理的に薄い
液晶層厚、低電圧で偏光制御できることから、早い応答
速度、低消費電力にて、高いコントラスト比を示し、時
計や電卓、単純マトリクス駆動や、スイッチング素子を
各画素ごとに具備したアクティブマトリクス駆動で、ま
た、カラーフィルターと組み合わせて、フルカラーの表
示の液晶ＴＶなどに応用されている。

【０００４】しかし、これら偏光効果と偏光子を組み合
わせたＬＣＤは、原理上偏光板を用いることから素子の
透過率が著しく低く、また分子配列の方位性により見る
角度・方位によって表示色やコントラスト比が大きく変
化するといった視角依存性をもち冷陰極線管（ＣＲＴ）
の表示性能を完全に越えるまでにはいたらない。

【０００５】一方、後者の液晶の相転移を利用したも
の、及び染料の可視光吸収量を制御したＬＣＤは、例え
ば、ヘリカル構造の分子配列をもつコレステリック相か
らホメオトロピック分子配列のネマティック相への相転
移を電場印加で生じさせるＰＣ型液晶及びこれに染料を
添加してなるホワイト・テイラー型ＧＨ液晶であり、偏
光子を用いず、原理的に偏光効果を用いないことから、
明るく、広い視認角を示し、自動車機器や、投影型表示
器などに応用されている。

【０００６】しかし、充分な光の散乱を得るには、液晶
相厚を充分厚くしたり、散乱を生じさせるヘリカル強度
を強めたりする必要があり、高い駆動電圧を要し、応答
速度も極めて遅いといった問題点をもっているため表示
量（画素数）の多い表示素子への応用は困難とされてい
た。また、印加電圧の増加に伴い、透過率が急激に変化
するために階調性をもたらすことも困難とされていた。
さらに、その印加電圧−透過率特性にヒステリシスがあ
り、マルチプレクス駆動することが困難など実用的に問
題があった。

【０００７】さらに説明すると、偏光効果と偏光子を用
いた場合、原理上透過率が低くなり、視角依存性を生じ
させる。すなわち、少なくとも１枚の偏光板を用いるた
め、透過光量は少なくとも５０％以下となり、また、製
造上及び配向の安定化のためプレティルト角を有し、そ
れが視角特性に影響する。特に原理上、透過率が低く、
この方式を用いた場合、避けられない問題である。

【０００８】また、液晶の相転移を利用した場合、これ
ら低い透過率、視角依存といった問題は生じないが、充
分に光を散乱させるためには、上記のように液晶層厚を
充分に厚くし、ヘリカル強度を強くしたりする必要があ
る。これは光の散乱を種々の液晶分子配列に因っている
からである。つまり、充分に光を散乱させるためには、
例えば、ヘリカル構造の分子配列をもつコレステリック
相の場合、入射光方向に対し、あらゆる方位にヘリカル
軸をもつ必要性が生じる。このように、多数の方位のヘ
リカル軸をもたせるためには、液晶相厚を厚くしなくて
はならない。また、有機電解質などの導電性物質を溶解
したＮｎ液晶を用い、低周波で高電圧を印加することに
より散乱性を得る手段（一般にＤＳ効果という）が提案
されているが、これも充分な散乱性を得るためには、前
記問題点を伴わねばなし得ない。無論、相転移を熱光学
効果による場合も同様である。

【０００９】また、これら各種の相転移を利用した方式
では、光散乱状態と光透過状態とで液晶の分子配列が著
しく異なり、このため、前記２種の状態の相互変化を電
界制御でなし遂げる場合、その電気光学特性にヒステリ
シスが生じてしまう。このヒステリシスが生じる原因に
は諸説があり明確にされていないが、分子配列が著しく
異なると発生し、また、電界を印加していない状態で光
散乱状態（液晶の分子配列が微細なドメインの集合体と
なっている状態）を形成している場合に発生しやすいこ
とがわかっている。

【００１０】また、図３（ａ）に示すように基板１、２
間で挾持されたポリマー３内に多数のカプセルを形成し
て、この中に液晶４を封入したカプセル状構造、および
図３（ｂ）に示すように繊維状ポリマー５の間に液晶６
を分散させた繊維状ポリマー構造を用いて散乱性を高め
る高分子分散型ＬＣＤが提案されているが、高い散乱
性、充分に低い駆動電圧と応答速度など必要な特性を得
るには至っていない。これは、そのポリマーの形状に製
法上、及び原理から、ポリマーと液晶層との混合比に制
約があり、やはり、要求される駆動特性を満足しようと
すると、充分な散乱性を得られないためである。

【００１１】また、これらの方式においても光散乱状態
と光透過状態とで液晶の分子配列が著しく異なるため、
前述したように電気光学特性にヒステリシスが生じてし
まう。これに対し散乱状態における液晶分子配列をある
程度制御（例えばカプセル内面における液晶分子配列を
制御するためにポリマーに疎水性の物質を混合する等）
し、前記ヒステリシスを軽減させることも可能である
が、このことは同時に光散乱を弱めることとなり、実用
的でない。

【００１２】カプセル状の高分子分散型のＮＣＡＰ形Ｌ
ＣＤは散乱モードの液晶表示素子であり、偏光板をもち
いないため、明るく、広い視認角を示し、自動車機器
や、投影型表示器などに応用されている。しかしなが
ら、外部から印加した電圧は有機高分子と液晶とに分圧
され、液晶には印加電圧の一部しか印加されず、実用的
には動作電圧が高まり問題であった。また、充分な光の
散乱を得るには、液晶厚を充分厚くする必要があり、応
答速度も極めて遅いといった問題点をもっているため表
示量（画素数）の多い表示素子への応用は困難とされて
いた。さらに、その印加電圧−透過率特性にヒステリシ
スがあり、マルチプレクス駆動することが困難など実用
的に問題があった。これと同様の動作原理で動作する繊
維状ポリマーの網目状有機高分子中に液晶を保持した高
分子分散形ＬＣＤにおいても、同様の問題があった。

【００１３】また、光を散乱させる手法として、２枚の
電極付基板の表面において種々の方向に液晶分子を配列
させるよう微細な領域毎に配向処理を行い、これらを内
面として対向させた間隙に液晶を挟持させることも考え
れらるが、これも前記ヒステリシスの問題を解決する手
段とはならないし、また、こうした構成を実現する手段
は見出だされておらず、現実的な手法とはなっていな
い。こうした構成が実現できない理由は微細な領域毎に
配向処理方向（例えばラビング方向）を異ならせること
が困難であるからである。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、従来
の液晶表示素子は透過率が低く、視角依存性をもつか、
高い駆動電圧を要し、応答速度も遅いといった問題点を
もっていた。

【００１５】したがって、光を散乱させる手段として、
光散乱状態を得るために液晶以外の媒体を必要とせず、
なおかつ、光透過状態とで液晶の分子配列が著しく異な
らず、良好な光散乱状態を得るような構成であり、なお
かつ、製法上制約がない構成であれば前述した問題点は
発生しない。

【００１６】本発明はこの条件を満足する新規な構成を
提供するものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は課題を解決する
手段として、対向して複数の画素を形成する電極をそれ
ぞれ有する２枚の基板間にネマティック液晶組成物から
なる液晶層を挟持し、前記両基板の電極が画素毎に、最
も狭い幅が３μｍ以下である微細な領域を単位とした導
電体部と非導電体部からなり、両基板間で一方の電極の
導電体部と他方の電極の非導電体部の少なくとも一部が
対向して配置されてなることを特徴とした液晶表示素子
において、液晶層の分子配列が前記両基板の表面上での
プレチルト角α０が４５°より大であり、かつチルト方
向が両基板同一方向である液晶表示素子を提供する。

【００１８】さらに、両基板の液晶のプレチルト角の差
が０．５°以下であることを特徴とする液晶表示素子を
提供するものである。

【００１９】

【作用】本発明の液晶表示素子の構造は先願の特願平５
−１８４２７３号において提案した、分子配列構造、お
よび電極構造と同様の機能を用いている。この特願平５
−１８４２７３号において提案した分子配列構造は、い
わゆるスプレイ配列及びそれにねじれを加えた分子配列
であり、なおかつ上下基板表面における液晶分子プレチ
ルト角が上下でほぼ等しいことを特徴としている。こう
した分子配列では、電界の印加の仕方によってはその分
子のチルト方向が２方向となる。これは電圧を印加して
いない状態での液晶分子配列が液晶層の上半分と下半分
で対象な形をしていることによっている。つまり、液晶
分子のチルト方向が２以上の自由度を持っていることに
なる。よって、電圧を印加した際にのみ、分子のチルト
方向の境界部にディスクリネ−ションラインを発生させ
ることができ、入射光を散乱させる機能を得ることがで
きるわけである。本発明はこのように液晶分子のチルト
方向が２以上の自由度を持たせる一つの構成を提供する
ものである。

【００２０】本発明は液晶をベンド配列（同一方向のプ
レチルト角を有する分子配列）させたい場合に、横電界
成分をもつ印加電圧の有無によって液晶分子の向きが変
化することを利用して光散乱効果を高めるようにしたも
ので、電極の微小領域内に導電体部と非導電体部を形成
し、基板間で、液晶層を挟んで相対向する一方の電極の
導電体部と他方の電極の非導電体部を対面させたもので
ある。

【００２１】図１に本発明の実施例の構造を示す。

【００２２】図１（ａ）は本発明の液晶表示素子の構成
を実現する上下基板の電極構造の一例およびラビング方
向の一例（この例の場合、液晶層はねじれを持たない配
列となるように液晶組成物としてカイラル剤を混入して
いない誘電異方性が負のネマティック液晶を用いる）を
説明した斜視図であって、図１（ｂ）はその断面図であ
り、上下基板の画素電極間に電圧を印加した際の電界の
かかる方向（点線で示す）および液晶分子の立ち下がる
方向を概念的に説明した図である。図１（ｃ）は本構成
の分子配列を示す図である。図１（ｃ）に示す分子配列
は、上基板の分子配列Ｆ、下基板の分子配列Ｒが同方向
にあり、分子配列は、液晶分子のプレチルト角α０が４
５°より大きく、上基板１１のプレチルト角α０から徐
々に角度が増加して、液晶層厚ｄの中点ｄ／２で基板１
１とほぼ垂直になった後、下基板１２のプレチルト角α
０に至まで逆の角度に傾いていくようになっているもの
である。このような配列をベンド配列という。

【００２３】そこで、本実施例を示す図１（ｂ）のよう
に、上電極１３を複数のストライプ状導電体部１３ａを
非導電体部１３ｂを介して等間隔に配置した電極パター
ンとし、同様に下電極１４を複数のストライプ状導電体
部１４ａを非導電体部１４ｂを介して等間隔に配置した
パターンとして、これら電極を相対向させたときに、一
方の電極の導電体部１３ａまたは１４ａが他方の電極の
非導電体部１４ｂまたは１３ｂに対向するように基板間
に間隙を形成するように重ねる。 この場合、上下基板
の液晶配向方向が同一方向になるようにラビング処理し
ておく。この結果、無電圧印加時は、液晶はベンド配列
状態を整然と保持するが、電圧印加時は導電体部が上下
電極でずれているために、電極間に横電界成分をもつ斜
め電界が発生し、図示のように交互に傾斜方向を変えた
電気力線ｅを形成する。液晶分子Ｍは電気力線にそって
倒れて配列するから右上がり斜め電界と左上がり斜め電
界との境界で液晶配列が不連続となりディスクリネーシ
ョンラインＤＬが発生する。 このディスクリネーショ
ンラインＤＬは僅かな液晶配列変化によって生じる配列
不連続点であることから、一般的なメモリー性の強い電
界印加時のディスクリネーション出現現象と区別するた
めに、以下本発明ではウォールと称する。

【００２４】一画素内で電極の導電体部と非導電体部を
微細に多数形成すれば液晶分子の倒れる方向が微細に分
割されるから、一画素内に多数のウォールを発生するこ
とができて、この部分で光散乱をおこさせることができ
る。

【００２５】光散乱領域は境界部を中心に幅３乃至５０
μｍであるので、微細な領域の大きさをこの値の範囲
（最狭幅は３μｍ以下でも可）で一致させるように、ま
たはそれよりも小さな値になるように分割すれば一画素
全面において光を散乱することができ、また電圧を印加
していない状態では液晶分子は全面連続的な配列をなす
ので、光透過状態を得ることができる。したがって、本
発明によれば、電圧無印加時に光透過状態、電圧印加時
に光散乱状態を得る電界制御を行うことができる。

【００２６】ここで、本発明の液晶表示素子は印加され
る電界の方向によって、液晶分子の傾く方向を制御して
いるので、上下基板のプレチルト角が等しいことが望ま
しく、実用的には差を０．５°以下にすることが望まし
い。しかし、プレチルト角が相違してもある程度の作用
を発揮する。

【００２７】また、微視的に見ると各領域における分子
配列変化は分子配列の変化に等しく、応答速度はこれに
準じた値をとるため、応答速度は従来のユニフォームツ
イスト配列のＴＮ−ＬＣＤやＳＴＮ−ＬＣＤ、ホモジニ
アス配列ＬＣＤよりもさらに速いことがわかっており、
したがって、本発明の液晶表示素子も極めて速い応答速
度を得ることになる（先願の特願昭３−３４４５９２
号、特願昭３−３４４５９３号参照）。

【００２８】また、本発明の液晶表示素子は僅かな液晶
分子配列変化によって光透過状態と光散乱状態の２状態
を得るので電気光学特性にヒステリシスを生じない。

【００２９】また、液晶のプレチルト角α0 の違いによ
って、電気光学特性の急峻なものやなだらかなものな
ど、種々実現可能である。

【００３０】また、本発明の液晶表示素子は、液晶層の
光散乱状態を僅かな液晶分子配列変化によって実現する
ことができるので、印加電圧は極めて小さい値となる。
よって低電圧駆動が可能となるといった利点も得ること
ができる。

【００３１】

【実施例】以下本発明の液晶表示素子の実施例を説明す
る。

【００３２】（実施例１）図１は本実施例を示し、図１
（ａ）は上下電極のパターンを示す斜視図、図１（ｂ）
は電極を相対向させた液晶セルの略断面図、図１（ｃ）
は電圧無印加時の液晶分子配列のベンド配列状態を示す
略図である。

【００３３】ガラスでできた上基板１１の一方の面全面
にＩＴＯの透明共通電極１３が形成され、その表面にポ
リイミドの上配向膜（ＡＬ−３０４６、日本合成ゴム
製）１５を積層している。他方のガラスでできた下電極
１２の一面にＩＴＯでできた画素単位でモザイク状に配
置された３００μｍ×３００μｍの画素電極１４が設け
られ、表面にポリイミドの下配向膜（ＡＬ−３０４６、
日本合成ゴム製）１６が積層される。各基板を垂直配向
処理剤であるシラン系アルコール処理液（商品名ＯＳＤ
−Ｅ、チッソ製）に浸し、超音波を３分かけた後に乾燥
させ、図に示す方向Ｆ、Ｒにラビング処理を施し、最終
プレチルト角を８９°とする。

【００３４】上電極１３は一画素ｐごとに幅２．５μｍ
の複数のスリットすなわち非導電部１３ｂを有して幅
２．５μｍの導電部１３ａを５μｍピッチでストライプ
状に配列したパターンでなり、一画素３００μｍ幅の中
に多数本の導電部１３ａを形成している。

【００３５】相対する下電極１４も同じく２．５μｍ幅
の導電部１４ａと２．５μｍ幅の非導電部１４ｂを等間
隔で配置したパターンを有し、３００μｍ幅内に多数本
の導電部１４ａを形成している。

【００３６】これら電極の導電部は上下基板を相対させ
た状態で相互に２．５μｍずらしてあり、一方の電極の
導電部１３ａまたは１４ａが他方の電極の非導電部１４
ｂまたは１３ｂに対面する。

【００３７】下電極１４はＴＦＴスイッチング素子１７
を有し、ゲート線１８と信号線１９に接続される。

【００３８】上下基板の配向方向Ｆ、Ｒを図示のように
電極の導電部に直交するように、かつ同一方向とし、上
下基板の間隙を１０μｍとしてセルを形成する。この基
板間隙に誘電異方性が負のネマティック液晶（ＺＬＩ−
４８５０、メルクジャパン製）を充填し、液晶層２０と
する。この液晶はΔｎが０．２０８０と大きく、液晶層
を１０μｍと厚く選択したのは光散乱状態における光散
乱性を高めるためである。

【００３９】このようにして得られた本発明の液晶表示
素子にＴＦＴ１７を介して電源２１から電圧を印加して
電気光学特性（透過率−印加電圧曲線）を測定した。電
圧印加により、電極間に横電界成分をもつ電界が発生
し、一画素の微小な範囲で横電界成分の方向が変化する
から、液晶層２０の液晶分子Ｍが電界に応じて配列を変
化する。したがって、液晶配列の境に多数のウォールＤ
Ｌが発生して光散乱状態を作りだす。

【００４０】透過率−印加電圧曲線を求めるために、液
晶表示素子にＨｅ−Ｎｅレーザー光を入射させ、透過率
を測定した。光のスポット径は２ｍｍで、透過したレー
ザー光は液晶表示素子から距離２０ｃｍのところにある
フォトダイオードにより検出した。図２に０Ｖから徐々
に印加電圧を５Ｖまで増加、５Ｖから徐々に０Ｖまで減
少させていったときの透過率−印加電圧曲線を示す。電
圧を印加していない状態（０Ｖ印加）では透過率約８０
％（ガラス基板２枚の透過率）を示した。また、印加電
圧３．７Ｖでは最少透過率０．４％と良好な散乱状態が
得られた。また、図から明らかなように電気光学特性に
ヒステリシスは全くなかった。また、印加電圧３．７Ｖ
及び０Ｖにて、応答速度を測定したところ立ち上がり６
ｍｓｅｃ、立ち下がり２１ｍｓｅｃと極めて速い値を得
た。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、散乱特性が高く、駆動
電圧の低い、明るくコントラスト比の高い階調性に優れ
た液晶表示素子や、階調表示しても表示が反転する視角
のない極めて広い視角依存性である液晶表示素子が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶表示素子の一実施例を説明する図
で、（ａ）は電極の斜視図、（ｂ）は作用説明の断面
図、（ｃ）は液晶分子配列を説明する略図。

【図２】本発明の実施例１の素子の透過率−印加電圧曲
線図。

【図３】従来素子を説明するもので、（ａ）はカプセル
状構造の断面略図、（ｂ）は繊維状ポリマー構造の断面
略図。

【符号の説明】

１１…上基板 １２…下基板 １３…上電極 １３ａ…導電体部 １３ｂ…非導電体部 １４…下電極 １４ａ…導電体部 １４ｂ…非導電体部 １５、１６…配向膜 ２０…液晶層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 羽藤 仁 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向して複数の画素を形成する電極をそ
   れぞれ有する２枚の基板間にネマティック液晶組成物か
   らなる液晶層を挟持し、前記両基板の電極が画素毎に、
   最も狭い幅が３μｍ以下である微細な領域を単位とした
   導電体部と非導電体部からなり、両基板間で一方の電極
   の導電体部と他方の電極の非導電体部の少なくとも一部
   が対向して配置されてなることを特徴とした液晶表示素
   子において、液晶層の分子配列が前記両基板の表面上で
   のプレチルト角α0 が４５°より大であり、かつチルト
   方向が両基板同一方向であることを特徴とする液晶表示
   素子。
2. 【請求項２】 両基板の液晶のプレチルト角の差が０．
   ５°以下であることを特徴とする請求項１記載の液晶表
   示素子。