JPS63239421A

JPS63239421A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPS63239421A
Application number: JP62071779A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Matsumoto; 哲郎松本; Yutaka Nakagawa; 豊中川; Fumio Sumio; 角尾　二三男; Yuichi Saito; 斎藤　裕一; Hiroshi Hasebe; 長谷部　浩士
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1987-03-27
Filing date: 1987-03-27
Publication date: 1988-10-05

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、遮光膜を形成したネガ型表示を行なう液晶表
示装置に関するものである。

［従来の技術］従来、自動車の計器類、あるいは時計等の表示に用いら
れている液晶表示装置は、暗い表示面に明るい文字、図
形などの表示を行うネガ型表示が多く採用されている。

ネガ型液晶表示装置は、表示部分以外の背景部分では液
晶層に電圧が印加されていないため、液晶分子がねじれ
ており、これに沿って光がねじれて進み、一対の偏光膜
の偏光軸を並行させて配置することにより、背景部分で
光が透過しないようにされている。しかし５通常のこの
ネガ型液晶表示装置の背景部分では、光が液晶層中をね
じれて進む際に、偏光度が低下するため、ある程度特定
の色の光が透過してきてしまい、コントラストが不十分
である問題点があった。

この問題を解決するために、表示部分以外の背景部分に
遮光膜を形成し、さらに通常のポジ型液晶表示装置の場
合と同様に、液晶に電圧を印加しない状態で透過してく
るように偏光膜を配置するネガ型表示装置が提案されて
いる。この表示装置は、表示部分のうち、所定の表示パ
ターン部（以下透光セグメントという）には液晶分子が
立ち上るしきい値電圧以下の電圧を印加し光を透過させ
、所定の表示パターン以外の表示部（以下、遮光セグメ
ントという）には、しきい値電圧以上の電圧を印加し光
を遮光してネガ型表示を行なう形の液晶表示装置が提案
されている。（特開昭６Ｏ−１６２２２７号）この表示
装置においては、遮光セグメント部は液晶分子の基板に
対して立ち上がっているため、基板に対して垂直方向が
液晶分子の光軸方向となり、この方向から見る限りにお
いては液晶分子は複屈折性を示さない。従って、偏光板
の偏光軸を直交してはりあわせた場合と等しい遮光度が
得られるため、１０００以上という極めて高いコントラ
スト比を得ることができる。

［発明の解決しようとする問題点］しかしながら゛、この遮光セグメント部を斜め方向から
見ると、液晶分子が複屈折性を示すことにより、光がも
れ、遮光が不十分になる。この光のもれは、特定の方向
において低角度になるに従い増加し、コントラスト比の
低下により視認性が悪くなる。また、背景部と遮光セグ
メント部の明るさが大きく異なり、遮光セグメント部と
透光セグメント部の明るさの違いが小さくなるため、表
示内容を誤認する恐れがあるという問題点があった。

［問題点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ものであり
、電極を設けた基板間にネマチック液晶層を挟持し、表
示パターンに対応する部分以外には遮光膜を設け、液晶
セルの両面に偏光膜の偏光軸を電圧無印加部分で光が透
過してくるように一対の偏光膜を配置し、所望の表示パ
ターン以外の表示パターン部分の電極に前記ネマチック
液晶が励起する以上の電圧を印加するネガ型表示の液晶
表示装置において、一対の偏光膜の間に、光軸方向が基
板垂直方向からＯ°〜３０°の角度に設定され、かつ液
晶材料のもつ光字異方性とは符号が異なる光学異方性を
もつ光学素子を配置したことを特徴とする液晶表示装置
を提供するものである。

本発明を図面を参照しつつ説明する。

第１図は、本発明のネガ型表示のねじれネマチック液晶
表示装置の基本的な例の断面図を示す。

第１図において、ＩＡは基板であり、２Ａはその上に形
成された電極であり、さらにその−トには配向膜３＾が
形成されている。一方、他方の基板ＩＢには、その上に
電極２Ｂ、表示パターン以外の部分に遮光膜４、それら
の上に配向膜３Ｂが形成されている。これらの２枚の基
板の電極面が相対向するように配置して、周辺をシール
材５でシールし、内部にネマチック液晶を注入して液晶
層６を形成して液晶セルを形成する。

この液晶セルの両面には、一対の偏光膜７Ａ、７Ｂが配
置され、その偏光軸は、通常のポジ型表示の液晶表示素
子の場合と同様に電圧を印加した部分で光が遮断される
ようにされている。また、基板ＩＡと偏光板７Ａの間に
光学異方性の正負が液晶材料とは逆の光学異方性をもつ
光学素子８を配置する。

具体的には、はぼ９０°のねじれになるように配向膜を
形成し、液晶の分子が電圧を印加しない状態でほぼ９０
°ねじれた状態にし、偏光膜の偏光軸は、それぞれの配
向方向と平行または直交するように配置すれば良い。即
ち、偏光膜の偏光軸は相互にほぼ９０°になるように配
置される。

もっとも、この配向方向を９０°としても、液晶のねじ
れを９０＠でなく、２７０°や４５０″　としてもよい
し、配向方向を正確に９０＠　とせずに、８５°とか１
００＠　とかしてもよい。また、偏光軸と配向方向との
角度も平行または直交に限られなく、それから少しずら
せて５°とか８５″″とかしてもよい。

本発明で使用される光学素子は、光学異方性が液晶材料
とは逆の符号をもつものを選ぶ。通常の液晶材料は正の
光学異方性を持つので、負の光学異方性をもつ材料、例
えば、方解石、サファイヤ、チリ硝石、リン酸二水素カ
リウム（ＫＤＰ）などの単結晶を、光軸に９０＠から６
００になる面で切り出し研摩して用いる。その厚みは、
光学素子の光学異方性Δｎｃと厚みｄ６の積が、液晶材
料の光学異方性Δｎ１と液晶層ｄ１の厚みの積Δｎ１・
ｄｃに対して、はぼ等しいことが最も効果があり、その
比が０．５から１．５の範囲にあれば、コントラストの
角度変化を低減する効果がある。

具体的には、液晶の光学異方性と厚みの積Δｎ１・ｄｌ
は０．３μｍから０．７μｍの範囲にあることが望まし
い。△ｎ＋　’　ｄｌが０．３μｍ以下になると、式（
１）で現わされる透光セグメントの透過率が小さくなり
、着色したり非常に暗くなる。

λ：光の波長また、Δｎ１・ｄｃが大きくなると、後に作用の項での
べるように、コントラストの角度依存性が低下するため
、０６７μｍが限度である。実用的な値としては、例え
ば△ｎ、”０．０８７　、　ｄ＋＝５．５μｍであり、
Δｎｃ・ｄｃ＝０．４８μｍである。この場合の光学素
子のΔｎａ’ｄｃは、絶対値で０．２４から０．７２μ
ｍが望ましい。

また、同様の効果を得る方法としては、第２図に示すよ
うに、前述の光学異方性を示す単結晶を基板上に所定の
厚みまで育成して光学素子を形成してもよい。また、プ
ラスチック等を塗布して同様の効果を得ることができる
。

また、第３図に示すように、前述の光学異方性を示す材
料を直接基板として用いてもよい。

この際に使用する基板としては、ガラス、プラスチック
等の材料を、熱処理あるいは化学的処理等で内部応力を
発生させ、光弾性効果によりできる複屈折を利用し、同
様の効果を得ることもできる。また、第４図に示すよう
にこれらの光学素子を、偏光膜の支持体として使用して
光学素子は偏光膜１０Ａ、１０Ｂとしてもよい。第３゜
４図においては２枚の基板としてまたは２枚の偏光膜の
支持体として光学素子を用いた例を示したが、この際の
厚みは、２枚の合計の厚みが前述の範囲内にはいるよう
にする。もちろん一方にのみを用いてもよいことは明ら
かである。

光学素子の光軸の方向については、液晶層に充分電界が
印加でき、液晶分子が基板に対しほぼ垂直まで立ち上っ
ている場合には、基板に対して垂直でよいが、マルチプ
レックス駆動、その他駆動回路上の制限により充分高い
電圧が印加できない場合には、光軸を傾ける方が好まし
い。ただし、この角度が３０°以上になる場合には、遮
光セグメントの着色が激しくなり、コントラストを充分
に高いものが得られないので避ける。また、その配置方
向としては、液晶セルの主視角方向と、光学素子の光軸
の傾き方向とを一致するように配置する。

配向膜は、ポリイミド、ポリアミド、ポリビニルアルコ
ール等の有機高分子、ＳｉＯ□、Ｔｉｅｓ、＾１３０１
等の無機材料による膜をラビングしたり、斜め蒸着した
りした液晶を配向させる配向膜であればよく、必要に応
じて、１層でも良いし、２層としてもよい。

本発明の遮光膜は、液晶セルの内面に設けてもよいし、
外面に設けてもよく、その光透過率は０．０２〜１．０
層程度とされる。もっとも、液晶セルの内面側に遮光膜
を形成する方が斜め方向から見た場合に表示パターンと
遮光膜との位置ずれを生じにくく好ましい。

この遮光膜は、表示の背景部分に形成されるものであり
、通常は一方の基板にのみ形成されればよい。もちろん
両方の基板に分割して形成されてもよいが、一方の基板
に形成するほうが工程が少なく生産性がよい。

この遮光膜は、透明電極と絶縁膜を介してアルミ、ニッ
ケル、クロム等の金属性遮光膜を蒸着、メッキ等で形成
したり、カーボンペースト等の遮光性インクを印刷等で
形成したりして形成されればよい。

シール材は、通常のエポキシ樹脂、シリコン樹脂等のシ
ール材でよく、通常はその一部に開口部を形成しておき
、セル化して後、その開口部から液晶を注入し、その開
口部を封止すればよい。

注入する液晶は、通常のネマチック液晶でよく、通常は
ほぼ９０°のねじれを有しているが、前述の如く、２７
０°や４５０°ねじれとなるようにカイラル物質を添加
してあってもよい。

このほか、カラーフィルタ一層を基板の内面または外面
に形成したり、基板を偏光膜基板としたり、基板の外面
にタッチスイッチ、紫外線カツトフィルター、無反射フ
ィルターを積層したりしてもよく、本発明の効果を損し
ない範囲内で通常の液晶表示素子に適用しつる技術を適
用してもよい。

本発明では、全体としてはネガ型表示であるが、電極へ
の電圧の印加は、ポジ型表示と同様に行う。

即ち、表示部分のうち、光を透過させる透光セグメント
においては、液晶分子が立ち上るしきい値以下の電圧を
印加し、遮光セグメントにおいては、しきい値電圧以上
の電圧を印加する。電圧の印加の方法については、各セ
グメントを個別駆動してもよいし、また複数のセグメン
トを共通の信号で駆動するマルチプレックス駆動を用い
てもよい。

通常は、裏面の偏光膜の背後に、照明手段を設けて使用
するが、背後に反射板を設置し、正面からの光を利用し
て表示を行なってもよい。

また照明手段と、半透過半反射板を設置し、背面と正面
の両方の光を利用する装置としても本発明は適用できる
。

また、液、晶中にネガ型、あるいはポジ型の二色性色素
を添加することでさらに高いコントラストを広い視野角
で得ることができる。

［作用］本発明における光学素子の役割を説明する前に、従来例
における遮光セグメント部において、低角度から見た場
合に光がもれコントラストが低下する理由を説明する。

第５図（ａ）に示すように、Ｚ軸を基板垂線方向、２枚
の偏光膜の偏光軸１１Ａ、　ＩＩＢをそれぞれ、Ｘ軸、
ｙ軸方向とする。充分に電界が印加された状態では液晶
分子はほぼＺ軸方向に向いている。この液晶中を第５図
（ｂ）で示される角度で光が進む場合の光の透過率を計
算する。液晶の屈折率を分子軸方向でｎｏ、分子軸に直
角方向でｎｏ　（ｎ、＞　ｎｏ）とすると、複屈折△ｎ
は−−＋２１となる。この複屈折によって生じる位相差は、液晶層の
厚さをｄｌとしてとなり、この場合の透過率は１　＝　ｓｉｎ”２ψｓｉｎ”ａ　　　　　　−−（４
）となる。θ＝０においては、△ｎ＝０であるため複屈
折性を示さないがθが大きくなるに従い、△ｎは大きく
なり、透過率が増す。この現象はψ＝４５’　、１３５
°、２２５°、３１５″′で最も顕著になる。

この複屈折をなくすには、（３）式の位相を打ち消す位
相差を加えてやればよい。この位相差を与える位相板と
して、光学異方性が液晶と逆の符号をもつ結晶等の位相
板を光軸方向に切り出したものを用いる。この光学素子
の常光、異常光の屈折率をｎｏ’、ｎ＊′　とじ、Δｎ
０・ｎｏ’−ｎｏ″とすると、その厚みをｄ６とした場
合、第５図（ｂ）で示される角度方向において生じる位
相差βはとなる。（θも屈折率の大きさにより変化する
が、変化は小さいとして無視した。）α匈βとなるには △ｎｃｄａ＝Δｎ＋ｄ＋　　　　　　　　　　　（７）
となればよい。この場合には、ある一定角度における液
晶層のつくる位相差αと光学素子のつくる位相差βが大
きさにおいてほぼ等しく、その消光方向は同じであるが
、早い軸と遅い軸が逆になるため、位相はお互いに打ち
消し合い、複屈折性を示さなくなる。その差が位相差の
半分を越えると、その効果は小さくなる。すなわち、の範囲に入っていることが望ましい。

液晶分子が充分立ち上がらない電圧で駆動する場合にお
いても電圧印加時の液晶分子の平均的な光軸方向と、光
学素子の光軸方向を一致させるように配置すれば、同様
に広い角度で高いコントラストをもつ表示装置が得られ
る。

［実施例］（比較例）第１図で光学素子８のみを除いた構成で、液晶としてΔ
ｎ＋＝０．０８７のメルク社製ＺＬＩ−２９７８−００
０゜偏光膜として日東電工社製Ｇ−１２２０Ｄｕ、セル
間隙は５−７　ｐ　ｍ　ｓ従って△ｎ＋　＠　ｄｌ−ｏ
、ｓｏ　ｕｍとした。

遮光膜はセル内面に形成し、カーボンインクによる印刷
で厚さ約２μｍ、光の透過率約０．３％とした。また、
駆動電圧はＩＯＶとした。この素子においてコントラス
ト比２００以上を示す角度は、中心から視角方向で３０
°まで１反視角方向で８°、左右方向は１５°程度まで
であった・これ以上の低角度では、遮光膜部分より遮光
セグメント部の透過率が高くなり、表示品位がおちると
ともに、表示内容を見誤まる恐れがある。

実施例１サファイヤを光軸方向に垂直に切り出し、鏡面研摩を行
なった。サファイヤは負の一軸性の光学異方性をもつ結
晶であり、その複屈折は約０、００８である。約７０μ
ｍの厚みで研摩し、Δｎｅ・ｄｃ・０６５６μＩとした
。この結晶板を、比較例に用いたセルの偏光膜と基板の
間に配置し、コントラスト比を測定した。コントラスト
比２００以上を示す角度はすべての角度で３０°以上と
なり、比較例に比べ著しく視認性が改良された。

実施例２ＬｉＮａＳＯ，の単結晶を、光軸（Ｚ軸）方向に垂直に
切り出し、鏡面研摩を行なった。ＬｉＮａＳＯ４は負の
一軸性の光学異方性をもつ結晶であり、その複屈折は約
［７，００５である。約１００μｍの厚みで研摩し、Δ
ｎ０・ｄｃ・０．５０μｍとした。この結晶板を、比較
例に用いたセルの偏光膜と基板の間に配置し、コントラ
スト比を測定した。コントラスト比２００以上を示す角
度はすべての角度で３０°以上となり、比較例に比べ著
しく視認性が改良された。

実施例３ポリカーボネイトを射出成形し、０．８１の基板を１枚
用い、他の１枚をガラス基板として、液晶セルを作成し
た。セルギャップを５．７μｍとし、液晶としてメルク
社製ＺＬＩ−２９７８−０００、偏光膜としてＧ−１２
２０Ｄｕを用いた。

ポリカーボネイト板は、射出成形時の熱による歪むため
一軸性の光学異方性を示し、その光軸は基板に対してほ
ぼ垂直である。また、その異方性の大きさは約６　Ｘ　
１０−’程度であり、△ｎａ・ｄｏ・０．４８μｍとな
る。

このセルのコントラスト比の角度変化を測定したところ
、コントラスト比２００以上になるのは、すべての角度
で２５°以上であり、比較例に比べ著しく視認性が改良
された。

実施例４ＬｉＮａＳＯ，の中結晶を、光軸に対し７５°の角度に
切り出し、厚みを１００μｍまで研摩した。この結晶板
を、光軸がセルの主視角方向に傾くように比較例に用い
たセルの偏光膜と基板の間に配置した。、５■でこのセ
ルを駆動した場合において、この光学素子を用いない場
合は最大コントラスト比は１００であり、視角方向５°
〜２０°の傾き角でコントラスト比５０以上を示したの
に対し、光学素子を用いた本天施例では、最大コントラ
スト比は１００で変らないが、視角方向Ｏ〜２５°の傾
き角でコントラスト比５０以−Ｆを示した。

［発明の効果］本発明では、液晶層の示す複屈折性によって生じる光学
的位相差を光学素子によって打ち消すことにより、極め
て高いコントラストによる表示を広い角度範囲において
得ることができる。また、表示色もポジ型駆動のため、
角度変化が少ないという効果もあり、一枚の表示パネル
において、多種の色を表示させることが可能である。こ
のことにより、広い角度範囲で極めてよい視認性をもつ
表示が可能である。

また、本発明は、透過型表示のみならず反射型表示にお
いてもよい視認性を示すことにより外光が充分量るい場
所においても使用が可能であり、背景照明の輝度を下げ
ても視認性がよいことから、表示装置を小型にできると
いう効果もある。

また、光学素子の光軸方向を主視角方向へ傾けることで
、低い電圧駆動時においても、広い角度で高コントラス
ト比を得ることができるので、マルチブ１／ツクス駆動
が可能になり、駆動回路が低減できるほか、高密度表示
が容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の基本的例の断面図である。第２図は、第３図、第４図は本発明の他の実施例の断面
図である。第５図は、本発明の詳細な説明する斜視図である。基板　　　　　　　：　ＩＡ、　ＩＢ電極　　　　　　　＝２Ａ、２Ｂ配向膜　　　　　　：３Ａ、３８遮光膜　　　　　　：４シール材　　　　　：５液晶層　　　　　　＝６偏光膜　　　　　　＝７Ａ、７Ｂ光学素子　　　　　：８光学素子基板　　　：９Ａ、９Ｂ光学素子付偏光膜　：　ＩＯＡ、ＩＯＢ偏光軸　　　　
　　＝１１＾、１１８第　１　図巣？　図第３図冷４図巣　５　図＜（２＞　　　　　　　　　　　　　　ｔｂ＞手続補正
書昭和６２年１２月ンγ旧

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電極を設けた基板間にネマチック液晶層を挟持し
、表示パターンに対応する部分以外には遮光膜を設け、
液晶セルの両面に偏光膜の偏光軸を電圧無印加部分で光
が透過してくるように一対の偏光膜を配置し、所望の表
示パターン以外の表示パターン部分の電極に前記ネマチ
ック液晶が励起する以上の電圧を印加するネガ型表示の
液晶表示装置において、一対の偏光膜の間に、光軸方向
が基板垂直方向から０°〜３０°の角度に設定され、か
つ液晶材料のもつ光学異方性とは符号が異なる光学異方
性をもつ光学素子を配置したことを特徴とする液晶表示
装置。
（２）ネマチック液晶がほぼ９０°ねじれとされ、一対
の偏光膜がほぼその偏光軸が直交するように配置されて
いる特許請求の範囲第１項記載の液晶表示装置。
（３）前記光学素子の光学異方性（Δｎ＿ｃ）と厚み（
ｄ＿ｃ）の積Δｎ＿ｃ・ｄ＿ｃが前記ネマチック液晶の
光学異方性（Δｎ＿１）と厚みｄ良の積Δｎ＿１・ｄ＿
１に対し、その絶対値において比率が０．５から１．５
の範囲される特許請求の範囲第１項記載の液晶表示装置
。
（４）前記光学素子の光軸の傾き方向が、液晶セルの主
視角方向と一致する特許請求の範囲第１項記載の液晶表
示装置。
（５）裏側の偏光膜の背後に、照明手段を設けた特許請
求の範囲第１項記載の液晶表示装置。
（６）ネマチック液晶に二色性色素を添加した液晶を使
用する特許請求の範囲第１項記載の液晶表示装置。