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JPS62194224A - ツイステツド・ネマチツク型液晶表示素子 - Google Patents

ツイステツド・ネマチツク型液晶表示素子

Info

Publication number
JPS62194224A
JPS62194224A JP61036042A JP3604286A JPS62194224A JP S62194224 A JPS62194224 A JP S62194224A JP 61036042 A JP61036042 A JP 61036042A JP 3604286 A JP3604286 A JP 3604286A JP S62194224 A JPS62194224 A JP S62194224A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
liquid crystal
tables
formulas
chemical formulas
crystal display
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP61036042A
Other languages
English (en)
Inventor
Shuichi Kanzaki
修一 神崎
Sachiko Ichimura
市村 幸子
Yozo Narutaki
陽三 鳴瀧
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
Priority to JP61036042A priority Critical patent/JPS62194224A/ja
Priority to US07/017,080 priority patent/US4779960A/en
Priority to EP87301509A priority patent/EP0234892B1/en
Priority to DE8787301509T priority patent/DE3774451D1/de
Publication of JPS62194224A publication Critical patent/JPS62194224A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09KMATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K19/00Liquid crystal materials
    • C09K19/04Liquid crystal materials characterised by the chemical structure of the liquid crystal components, e.g. by a specific unit
    • C09K19/42Mixtures of liquid crystal compounds covered by two or more of the preceding groups C09K19/06 - C09K19/40
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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    • G02F1/1333Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1337Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、マルチプレックス駆動特性を向上させたツイ
ステッド・ネマチック(TN)型液晶表示素子に関する
(従来の技術) 従来のツイステッド・ネマチック(TN)型液晶表示素
子の模式的断面図を第5図に示す。同図において、二枚
の電極形成基板a、b間でネマチック液晶分子をねじれ
らせん構造をなすように配向させるには、例えば、斜蒸
着法や、電極基板の液晶に接する面を布で一方向にこす
るいわゆるラビング法等が用いられる。このようにして
配向処理された二枚の電極基板a、bを、第6図に示す
ように、各々配向方向が互いに直交するように対向させ
、その間隙に正の誘電率異方性を有するネマチック液晶
gを封入すると、液晶分子はその電極基板a、b間で9
0°回転したらせん構造の分子配列を程することになる
。第6図において、jが上側の電極基板aのラビング方
向、kが下側の電極基板すのラビング方向である。この
ようにして構成された液晶セルの上下には偏向板り、i
が設けられるが、偏向板りの偏光軸方向!および偏向板
iの偏光軸方向mは上下二枚の電極基板a。
bの配向方向にそれぞれほぼ一致するように配置される
(第6図参照)。なお、第5図において、c、dは透明
電極、e、fは配向膜である。
ところで、このような従来のマトリックス型液晶表示素
子を度数Nの最適電圧平均化法で駆動するとき、点灯画
素における実効電圧V、、、 (ON)と非点灯画素に
おける実効電圧V、、、 (OFF)との比で表される
。この式でN−■とするとα→1となる。すなわち、度
数Nの増加に伴いV、、、 (OFF)とV、、、 (
ON)との差が減少する。したがって、表示情報量の大
きなマトリックス型液晶表示素子の実現に当り、V、、
、 (ON)と■、。、 (OFF)との電圧差が小さ
くても良好なコントラスト比を得るには、鋭い閾特性を
有する液晶材料の開発や配向膜の改良等が要求される。
特に近年、液晶表示素子の分野において、表示情報の増
加に伴い表示情報量の拡大化への要求が強まりつつある
。しかし、このような従来のTN液晶表示素子では、度
数Nの増加に十分対応できない状況となっている。
そこで、上記問題点を改良する方法として、液晶分子の
ねじれ角度φを90°よりも大きく設定することでマル
チプレックス駆動特性を改善する試みが提案されている
。これは、液晶分子のねじれ角度を90°より大きくす
るために、液晶分子のねじれらせん構造を誘起させる光
学活性物質をより多くネマチック液晶に添加するもので
、この    □結果生じるネマチック液晶のらせんピ
ッチpと液晶層厚dとの比d/pがほぼd/p$φ/3
60’を満足するように該光学活性物質の添加量を調整
して行ねれる。
(発明が解決しようとする問題点) しかし、このように光学活性物質が多く添加された液晶
表示素子では、電圧印加時に液晶分子の配向が乱れてド
メインの発生が生じ、この結果、光が散乱してコントラ
スト比が低下するという問題があった。また、この問題
を解消するために、斜方蒸着法により配向膜を形成し、
液晶分子と電極基板とのなす角度、すなわちプレチルト
角を大きくする方法が行われているが、この斜方蒸着法
では均一な配向膜を大面積に渡って形成するのが容易で
はなく、液晶表示素子の大面積化が困難であるという問
題があった。さらに、この方法は多数の電極基板上に同
時に一様な配向処理を行うことが難しいため、量産化が
困難であるという問題もあった。
(問題点を解決するための手段) 本発明のツイステッド・ネマチック型液晶表示素子は、
ラビング処理の施された配向膜を電極上に形成した一対
の基板を相対向するように配置し、この一対の基板間に
光学活性物質が添加された正の誘電率異方性を有するネ
マチック液晶を介在せしめるとともに、該液晶分子の配
列方位が側基板面で所定の角度φずれたねじれらせん構
造を有する液晶セルにおいて、前記角度φを21o°≦
φ≦300°の範囲に設定し、かつ、前記液晶分子のら
せんピッチpと前記液晶セルの層厚dとの比d/pを(
+15 /360−1/4) < d/p< ttr 
/360ノ範囲に設定したものである。
(実施例) 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
〔実施例1〕 第1図に本発明に係る液晶セルの模式的断面図を示す。
同図において、上側ガラス基板1の下面および下側ガラ
ス基板2の上面に酸化インジウムからなる透明電極3.
4をそれぞれパターン化して形成し、その表面にポリイ
ミドシラン系高分子被膜からなる配向膜5,6をそれぞ
れ形成し、さらに、その表面を布で一定方向にラビング
処理して液晶セルとした。なお、7は液晶層、8は上側
偏光板、9は下側偏光板である。
配向膜5,6は、N−メチルピロリドン中で1.3−ビ
ス(アミノプロピル)−テトラメチルジシロキサン0.
1モル、4.4 ’−ジアミノジフェニルエーテル0.
9モル、3.3 ’ 、 4.4 ’−ベンゾフェノン
テトラカルボン酸無水物1.0モルを縮合して得られる
ポリイミドシラン系高分子の前駆体であるポリアミド酸
の30重量%N−メチルピロリドン溶液をスピンナーを
用いて塗布し、その後350”Cで1時間加熱して閉環
させたものである。
第2図は、上記した構成の液晶表示素子におけるラビン
グ角度と液晶分子のねじれ角度の関係を示す図である。
同図において、ψは上側ガラス基板1のラビング方向1
0と下側ガラス基板2のラビング方向11とのなす角度
を表し、またφは液晶分子のねじれ角度を表し、ψ=3
60” −φを満たすように調節されている。ところで
、液晶分子のねじれ角度は、ネマチック液晶に光学活性
物質を添加することにより誘起される固有のらせんピッ
チpと液晶層の層厚dとの比d/pの値に依存し、液晶
分子のねじれ角度をφにするためには、(φ7360°
−1/4) < d/p < (φ/360° −) 
1/4)の範囲に調節する必要があることは周知の事実
であるが、前記したようなドメインの発生に関して液晶
材料とd/pの値を考慮した詳細な検証は未だなされて
いない。
そこで、本発明者らは、正の誘電率異方性を有する代表
的なネマチック液晶(N、)であるビフェニール系、ピ
リミジン系、ジオキサン系、エステル系の各液晶につい
てドメインの発生しないd/pの領域を調べた。その結
果を表1に示す。
(以下余白) この表1から、いずれの液晶に対しても、φ≦300°
の範囲で(φ/360” −1/4) < d/p <
φ/360”を満たすようにd/Pを調節すれば、ドメ
インの発生がないことを確認した。なお、第3図に示す
ように、良好なマルチプレックス駆動特性を得るために
は210°≦φ≦300°の範囲に設定することが望ま
しい。
なお、ドメインの発生を抑制するd/Pの領域に関する
知見は、使用する液晶として上記表1に示す各液晶に限
らず、一般式が のネマチック液晶に対して適用できることを確認した。
また、配向膜5,6についても、5iOZ。
S、O等の無機物や、ポリアミック酸を脱水、閉環させ
てできる下記に示すポリイミド系高分子被膜を用いても
ほぼ同様の結果が得られることを確認した。
ここで、 R,ハ◇、 −0−xlo−、−0−X−OX−0−で
あり、X + 〜X sは−(C1l□)。−+ −0
−(C1lz CIIzO)、1−。
−o−、−s−、−3O2−等を示す。また、R4゜R
5,Rh 、  Rqは水素原子、低級アルキル基、R
8,R,は水素原子、メチル基、エチル基、トリフルオ
ロメチル基、R4゜は二価の炭化水素基、R1+は一価
の炭化水素基をそれぞれ示す。
ドメイン発生を抑制するd/Pの範囲に関する上記の結
果は、シアノシクロヘキサン系液晶(C−11z−4+
CN、n=1〜7)等の液晶材料には当てはまらなかっ
た。すなわち、これらの液晶で構成された混合液晶材料
では、液晶のねじれ角φがほぼ250 ”以上になると
、ドメインの発生が抑制されるd/Pの範囲が極めて狭
くなり、この条件では実用的価値を消失することが明ら
かになった。したがって、ラビング処理が施された液晶
セルにおいて、ドメインの発生を阻止するための条件と
しては、まず使用する液晶材料の種類の選定と、そのd
/Pの設定が重要である。
ところで、これらのN、型液晶に他の液晶材料を混合す
ると、液晶温度範囲や応答特性の点でさらに実用的な液
晶材料を提供することができる。
そこで、本発明者らは、N、型液晶に混合する材料につ
いてさらに鋭意検討した結果、一般式が(ここで、R6
−R14は炭素数が1〜7の直鎖状アルキル基、RqO
,RItOは炭素数が1〜7の直鎖状アルコキシ基を示
す)で示される化合物を化合物群(II)とし、一般式
が (ここで、RIs”−’ RIIは炭素数が1〜7の直
鎖状アルキル基を示す)で示される化合物を化合物群(
III)としたとき、上記N、型液晶に混合する材料と
して、化合物群(n)あるいは化合物群(■)に含まれ
る化合物がドメインの発生を抑制する効果に対し悪影響
が少ないことを見出した。なお、実用的な材料を提供す
るためには、N2型液晶に、化合物群(If)あるいは
化合物群(III)に含まれる化合物の少なくとも一種
類以上を混合し、かつ、これに少なくとも一種類以上の
光学活性物質を最適量添加することが望ましい、添加す
る光学活性物質としては 2Mn(◇◇)CN             (右旋
性)2MBプ◇◇)C00ΦCN         (
右旋性)2M134心◇)COOΦCs1Lz    
   (右旋性)2MB’−(◇◇) COO% 0C
bll+z       (右旋性)2MB噸)C00
舎0Call+t        (右旋性)2MB 
”−0(◇◇ΣCN           (左旋性)
2Mr−o % coo舎CN         (左
旋性)2Mtr−o −C) COOCOOC−C)O
−2MB   <左旋性)2Mn0−coo(◇◇) 
Cs1l + +         (左旋性)(ここ
で、2MB”はC2115−CIl−CI+□=、C”
:不斉炭素である)C11゜ で示されるカイラル・ネマチック液晶や(ここで、Xは
−c j! + −ococ a)l + q + −
OCO@である)で示されるコレステロール環をもつコ
レステリック液晶が好適である。
なお、本発明者らの検討によって、ドメインの発生の抑
制効果については、N、型液晶の含有量が約15れ%未
満でこの効果が減少することを確認した。このため、N
、型液晶の添加量は15し%以上にする必要がある。ま
た、配向膜についても、上記の実用的材料に対してはS
 、O,等の無機材料よりも有機材料の方がドメインの
d/Pの領域が広く、また特に、有機材料に属する配向
膜の中で1,3−ビス(アミノプロピル)−テトラメチ
ルジシロキサンと4.4′−ジアミノジフェニールエー
テルおよび3.3 ’ 、4.4 ’−ベンゾフェノン
テトラカルボン酸無水物の混合物から得られるポリイミ
ドシラン系高分子被膜を用いた場合が最もその範囲が広
いことを確認した。
したがって、上記液晶材料と配向膜との組合わせによっ
て、従来極めて難しいとされていたラビング処理による
超ねじれ(スーパー・ツィステッド)ネマチック液晶表
示素子が容易でかつ再現性良く実現することが可能とな
った。
〔比較例〕
次に、本実施例の場合の電気光学特性と従来例のツイス
テッド・ネマチック型液晶表示素子との比較を行う。こ
の場合の液晶セルの構造は、第1図に示したものと同様
のものを使用する。また、ラビング角度ψは90°であ
り、液晶分子のねじれ角度φは270°とした。液晶層
4の層厚dは4.5μmであり、配向膜5,6は前述の
ポリイミドシラン系高分子膜を用いた。この検討に用い
たネマチック液晶の組成を表2に示す。
(以下余白) c表  2〕 さらに、このネマチック液晶には、液晶分子のねじれ角
度φが27o°になるように光学活性物質としてCB−
15(右旋性)が2.11重量%添加されている。この
ときの液晶のらせんピッチpは6.9p mで、d/P
は約0.65となり、前述の条件(φ/360−1/4
 ) <d/p < 1360 (7)範囲に入ってい
る。また、表2に示したネマチック液晶の屈折率異方性
Δnは0.20であるので、Δn−dの値は0.9μm
となる。なお、無電界時における表示面の着色の観点か
ら、Δn−dの値として0.5μm≦Δn−d≦1.1
μmの範囲に入るように調節することが望ましい。偏光
板の設定角度としては、第2図に示す上側偏光板8の偏
光軸方向12と上側ガラス基板1のラビング方向10と
のなす角度をβ、下側偏光板9の偏光軸方向13と下側
ガラス基板2のラビング方向11とのなす角度をγとす
るとき、β=70°、r=20’ となるように設定し
ておく。なお、マルチプレックス駆動特性および無電界
時における表示面の着色の観点から、ポジ型表示の場合
にはβ+γ=90°でかつ60゜くβく80°、10°
<r<30°の範囲に設定することが望ましく、ネガ型
表示の場合にはβ+r=180’でかつ60°〈βく8
0°、100゜〈γ<120’の範囲に設定することが
望ましい。
以上のようにして構成された液晶表示素子には、前述の
如き電圧印加時に発生しやすい液晶分子の配向乱れ、す
なわらドメインの発生がなく良好な表示であることを確
認した。
次に、本実施例に基(液晶表示素子のマルチプレックス
駆動特性を従来のTN型液晶表示素子の特性と比較する
ために、以下に説明する量αを定義する。なお、第4図
は本実施例の場合を含む典型的な電圧−透過率特性を示
す。観測方向は液晶表示面の法線方向である。
ここで、透過率が90%になる電圧を■、。、。
透過率が10%になる電圧をVLG%とするとき、α−
■、。%/ V q。覧 と定義する。このα値は電圧−透過率特性の急峻性を表
し、αの値が1に近づくほど、マルチプレックス駆動特
性が向上することになる。そこで、表2と同じ組成のネ
マチック液晶を用いた従来のTN型液晶表示素子のα値
を測定したところ、1゜50であるのに対して、本発明
の液晶表示素子では1.08であった。
このように、本発明による液晶表示素子では、マルチプ
レックス駆動特性が著しく改善されている。また、本発
明による液晶表示素子は従来の液高表示素子に比べて広
い視角範囲で高いコントラスト比を示すことが確認され
た。
〔実施例2〕 表3は、本実施例に用いたネマチック液晶の組成を示し
たものである。
0表  3〕 なお、液晶セルの構造は前記の実施例1と全く同様であ
る。また、添加されたCB−15の濃度は2.36重量
%であり、これによって誘起される液晶のらせんピッチ
pは6.2μmである。液晶層の層厚dは4.0μmで
あるので、d/Pは約0.65となる。また、この液晶
の屈折率異方性Δnは0゜23であるので、Δn−dは
0.92μmとなる。したがって、d/PおよびΔn−
dの値は前記実施例1の条件(φ/360−1/4 )
 <d/P <φ/360. 0.5μm〈Δn・a<
1.1μmの範囲に入っている。
このようにして作成された液晶表示素子のマルチプレッ
クス駆動特性を表すα値は1.09であった。
以上の結果から、本実施例の場合も従来の液晶表示素子
に比べて広い視角範囲で高いコントラスト比を示すこと
が確認された。
なお、表4に示すネマチック液晶を用いても、前記実施
例1あるいは前記実施例2と同様の効果が認められた。
(以下余白) 〔表  4〕 (発明の効果) 以上説明したように、本発明のツイステッド・ネマチッ
ク型液晶表示素子は、マルチプレックス駆動特性に優れ
、高デユーテイマルチプレックス駆動の液晶表示装置と
して適用することができる。
また、ラビング法による配向処理が適用できるので、量
産化効率が著しく向上する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のツイステッド・ネマチック型液晶表示
素子の模式的断面図、第2図は本発明の液晶表示素子の
ラビング角度、液晶分子のねじれ角度、および偏向板の
設定角度を示す図、第3図はコントラスト比のねじれ角
度φ依存性を示す曲線図、第4図はマルチプレックス駆
動特性を説明するための電圧−透過率特性を示す曲線図
、第5図は従来のTN型液晶表示素子の模式的断面図、
第6図は従来のTN型液晶表示素子のラビング角度およ
び偏光板の設定角度を示す図である。 1・・・上側ガラス基板 2・・・下側ガラス基板3.
4・・・透明電極  5,6・・・配向膜7・・・液晶
層     8・・・上側偏光板9・・・下側偏光板 第 7図 第2図 第3図 90’          210’       3
001′ ・7δ0’      270’     
  360φねじれlit度t5I!lIノ 第4WA 「P加電a/l/ノ 第5図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)ラビング処理の施された配向膜が電極上に形成され
    た一対の基板を相対向するように配置し、この一対の基
    板間に光学活性物質が添加された正の誘電率異方性を有
    するネマチック液晶を介在せしめるとともに、該液晶分
    子の配列方位が両基板面で所定の角度φずれたねじれら
    せん構造を有する液晶セルにおいて、前記角度φを21
    0°≦φ≦300°の範囲に設定し、かつ、前記液晶分
    子のらせんピッチpと前記液晶セルの層厚dとの比d/
    pを(φ/360−1/4)<d/p<φ/360の範
    囲に設定したことを特徴とするツイステッド・ネマチッ
    ク型液晶表示素子。 2)ネマチック液晶は、一般式が [▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼]( I ) (ここで、R_1〜R_7は炭素数が1〜7の直鎖状の
    アルキル基を示し、R_2Oは炭素数が1〜7の直鎖状
    アルコキシ基を示す)で表される化合物群( I )の中
    の少なくとも一種類以上の化合物から構成されたもので
    ある特許請求の範囲第1項に記載のツイステッド・ネマ
    チック型液晶表示素子。 3)ネマチック液晶は、一般式が [▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼](II) (ここで、R_8〜R_1_4は炭素数が1〜7の直鎖
    状アルキル基を示し、R_9O、R_1_2Oは炭素数
    が1〜7の直鎖状アルコキシ基を示す)で表される化合
    物を化合物群(II)とし、一般式が [▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼](III) (ここで、R_1_5〜R_1_8は炭素数が1〜7の
    直鎖状アルキル基を示す)で表される化合物を化合物群
    (III)として、化合物群( I )に含まれる少なくとも
    一種類以上の化合物に、化合物群(II)もしくは化合物
    群(III)の中の少なくとも一種類以上の化合物を添加
    した混合物からなり、化合物群( I )に含まれる化合
    物の組成比の合計を15Wt%以上となるように構成し
    た特許請求の範囲第2項に記載のツイステッド・ネマチ
    ック型液晶表示素子。 4)配向膜が、1,3−ビス(アミノプロピル)−テト
    ラメチルジシロキサンと4,4′−ジアミノジフェニル
    エーテルおよび3,3′,4,4′−ベンゾフェノンテ
    トラカルボン酸無水物の混合物から得られるポリイミド
    シラン系高分子被膜である特許請求の範囲第1項に記載
    のツイステッド・ネマチック型液晶表示素子。
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