JP3190857B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

液晶表示素子

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JP3190857B2 JP19668497A JP19668497A JP3190857B2 JP 3190857 B2 JP3190857 B2 JP 3190857B2 JP 19668497 A JP19668497 A JP 19668497A JP 19668497 A JP19668497 A JP 19668497A JP 3190857 B2 JP3190857 B2 JP 3190857B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は,高速応答で広視野
の表示性能を持つ液晶表示素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】液晶表示素子は薄型で軽量、かつ低消費
電力のディスプレイ素子であり、テレビやビデオなどの
画像表示装置や、モニター、ワープロ、パーソナルコン
ピュータなどのOA機器に広く用いられている。従来、
液晶表示素子として例えば、ネマティック液晶を用いた
ツイステッドネマティック(TN)モ−ドの液晶表示素
子が実用化されているが、応答が遅い、視野角が狭いな
どの欠点がある。
【0003】また、応答が速く、視野角が広い強誘電性
液晶(FLC)、あるいは反強誘電性液晶(AFLC)
などの表示モ−ドもあるが耐ショック性、温度特性など
大きな欠点があり、広く実用化されるまでには至ってい
ない。また、光散乱を利用する高分子分散型液晶表示モ
−ドは偏光板を必要とせず、高輝度表示が可能である
が、本質的に位相板による視角制御ができず、それに加
えて応答特性が悪いという課題を有しており、TNモー
ドに対する優位性は少ない。
【0004】一方、最近応答が速く視野角が広い表示モ
ードとして光学補償ベンド(OCB)モ−ドが提案され
ている(特開平7−84254)。このモ−ドは、対向
する二枚の基板上の液晶分子を、平行かつ同一方向へ配
向処理してなる液晶セルに電圧印加することにより、セ
ル中央部にベンド配向あるいは捻れ配向を含んだベンド
配向を誘起させることと、低電圧駆動と視野角拡大のた
めに位相補償板を液晶セル外側に配設することを特徴と
したものであり、性能的には中間調表示域においても高
速応答が可能であると同時に広い視野角特性を有してい
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の光学補
償ベンド(OCB)モ−ドの液晶セルでは、表示に際
し、例えば50Vの高電圧を印加して、予めセル中央部
にベンド配向あるいは捻れ配向を含んだベンド配向を誘
起させておくこと(いわゆる初期化)が必要があるとい
う問題がある。
【0006】また、OCBモ−ドの液晶セルは、表示特
性の視角依存性を液晶配列自身で補償する機能を有して
いるものの一方向の補償であり、全方位に渡って広い視
野角特性を得るためには負の二軸性補償層が必要であ
る。このような補償層の製造においては三軸方向の精密
な屈折率制御が必要であり、大画面にわたって均質な特
性を有する補償層を得ることは極めて難しい。通常、補
償層としては、フィルム補償板が多用されているが、こ
の場合には設計温度とは異なった環境での表示に対して
は充分補償できないという問題がある。
【0007】更に、OCBモードの補償では、通常入射
偏光の偏波面の方向と入射光側液晶分子の配列方向とは
45度、あるいは特定の角度ずれており、入射偏光は複
屈折モードで伝搬する。複屈折モードでは表示色相の視
野角依存性が避け難く、このことが本モード実用化の大
きなネックとなっている。
【0008】本発明は、上記従来の課題を考慮したもの
であって、補償層が不要で、高速応答で広視野の表示性
能を有し、しかも、表示色相の視角依存性が極めて小さ
い高画質の表示が可能な液晶表示素子を提供することを
目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のうちの請求項1記載の発明は、一対の基板
間に液晶層を挟持した液晶セルと少なくとも1枚の偏光
板とを有する液晶表示素子であって、前記液晶層が色素
あるいは顔料を含むと共に、電圧印加時に前記液晶セル
の中央部にベンド配向が形成され、液晶捻れ角が160
度〜200度であることを特徴とする。上記構成によれ
ば、ベンド配向液晶セルが使用されている点において、
従来のOCBモードの液晶表示素子と同様である。しか
しながら、本発明では、液晶層が色素あるいは顔料を含
むことから、本発明の表示モードは、ゲストホスト効果
による表示モードとなる。従って、本発明では、従来の
OCBモードと同様に高速応答、及び広い視野角特性を
有すると共に、複屈折モードを採用する従来のOCBモ
ードの課題である視角による表示色相の視野角依存性を
解消することができる。また、複屈折モードでないた
め、位相補償層を設ける必要がない。
【0010】請求項2記載の発明は、請求項1に記載の
液晶表示素子において、前記液晶捻れ角が180度であ
ることを特徴とする。
【0011】請求項3記載の発明は、一対の基板間に液
晶層を挟持した液晶セルと少なくとも1枚の偏光板とを
有する液晶表示素子であって、前記液晶層が色素あるい
は顔料を含むと共に、電圧印加時に前記液晶セルの中央
部にベンド配向が形成され、液晶捻れ角がほぼ0度であ
ることを特徴とする。
【0012】請求項4記載の発明は、請求項1から3の
いずれかに記載の液晶表示素子において、偏光板の透過
軸方向が、液晶配列処理方向と略平行であることを特徴
とする。
【0013】請求項5記載の発明は、請求項1または2
に記載の液晶表示素子において、液晶層がカイラル材料
を含んでいることを特徴とする。このような構成によ
り、初期の液晶分子の配向状態から捻れを含むベンド配
向状態に速やかに移行させることができる。
【0014】請求項6記載の発明は、請求項1から5の
いずれかに記載の液晶表示素子が、透過型液晶表示素子
であることを特徴とする。
【0015】請求項7記載の発明は、請求項1から5の
いずれかに記載の液晶表示素子が、反射型液晶表示素子
であることを特徴とする。
【0016】請求項8記載の発明は、請求項1から7の
いずれかに記載の液晶表示素子において、一対の基板の
うちの一方の基板が、アクティブ素子を備えていること
を特徴とする。
【0017】請求項9記載の発明は、一対の基板間に液
晶層を挟持した液晶セルと少なくとも1枚の偏光板とを
有し、電圧印加時に前記液晶セルの中央部にベンド配向
が形成される液晶表示素子であって、ゲストホスト効果
により表示を行うと共に、液晶捻れ角が160度〜20
0度であることを特徴とする。
【0018】請求項10記載の発明は、請求項9に記載
の液晶表示素子において、前記液晶捻れ角が180度で
あることを特徴とする。
【0019】請求項11記載の発明は、一対の基板間に
液晶層を挟持した液晶セルと少なくとも1枚の偏光板と
を有し、電圧印加時に前記液晶セルの中央部にベンド配
向が形成される液晶表示素子であって、ゲストホスト効
果により表示を行うと共に、液晶捻れ角がほぼ0度であ
ることを特徴とする。
【0020】
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】
【0028】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面にもとづいて説明する。 (実施形態1)図1は本発明の実施形態1に係る液晶表
示素子の断面図である。本実施形態に係る液晶表示素子
Aは、透過型液晶表示素子であり、一対のガラス基板
1,8間に液晶層5を挟持した液晶セル10と、この液
晶セル10の入射光側に設けられた偏光板9とを有す
る。各ガラス基板1,8の内側面には、透明電極2、7
が設けられており、この各透明電極2、7の内側面に
は、配向膜3,6が設けられている。また、偏光板9
は、その偏光軸が、前記一対の基板のうちの入射光側基
板8の界面近傍に存在する液晶分子の長軸方向とほぼ平
行となるように配置されている。
【0029】前記液晶セル10は、液晶層5内の液晶分
子が基板1,8間で捻られた配向状態とされている捻れ
液晶セルである。本実施形態では、液晶層5の液晶捻れ
角ω(図2参照)は180度とされている。また、液晶
層5は、液晶の他に黒色色素を含んだ構成とされてい
る。この黒色色素は、例えばアゾキシ系色素やアントラ
キノン系色素などの二色性色素であって、分子長軸方向
に偏光した光に対して吸収効果が大きく、逆に分子短軸
方向に偏光した光に対して吸収効果が小さい、いわゆる
ポジ型色素である。なお、液晶層5内の液晶は、カイラ
ル材料を添加してカイラルピッチが12μmになるよう
に予め調製されたものが用いられている。また、液晶表
示素子Aは、スペーサ4を用いて基板間隔が6μmに設
定されている。
【0030】上記構成の液晶表示素子Aは以下の製造方
法により製造した。透明電極2、7を有する2枚のガラ
ス基板1、8上に日産化学工業製配向膜塗料RN−47
4をスピンコート法にて塗布し、恒温槽中180℃、1
時間硬化させる。その後、レーヨン製ラビング布を用い
て、図2に示す方向にラビング処理を施す。なお、図2
において、参照符号21は出射光側基板1のラビング方
向を示し、参照符号22は入射光側基板8のラビング方
向を示し、参照符号23は偏光板9の偏光軸方向を示し
ている。この実施形態1では、液晶捻れ角ωを180度
とするため、基板1のラビング方向21と基板8のラビ
ング方向22は同一方向とされている。このようなラビ
ング処理の後、積水ファインケミカル(株)製スペーサ
4、およびストラクトボンド352A(三井東圧化学
(株)製シール樹脂の商品名)を用いて基板間隔が6μ
mとなるように貼り合わせ、空の液晶セル10を作成し
た。
【0031】次に、カイラル材料としてコレステリルノ
ナノエートを添加してカイラルピッチが12μmになる
ように調製したメルク社製液晶ZLI−2411〔ネマ
テックアイソトロピック転移温度(NI点)=65度、
屈折率異方性(Δn)=0.140〕100重量部に三
菱化学製黒色色素S−466を1重量部混合した液晶組
成部を、真空注入法にて空の液晶セル10に注入した。
その後、偏光板9を、図2の如く基板8のラビング方向
22と偏光板9の偏光軸方向23とが一致するよう液晶
セル10に貼合し、液晶表示素子Aを作成した。
【0032】次に、液晶表示素子Aの電圧−輝度特性を
30Hz矩形波の電圧を印加しながら測定した。その結
果を図3及び図4に示す。なお、図4は図3の一部を拡
大したものである。図3から明らかなように、液晶表示
素子Aの電圧−輝度特性は、大略的には、電圧が印加さ
れていないときには、輝度レベルがほぼ0レベルであ
り、電圧印加されるとフレデリックス閾値電圧Vthに達
するまでほぼ0レベルを維持し、更に電圧が上昇すると
輝度レベルが上昇していく。
【0033】このような電圧−輝度特性が得られるの
は、以下の理由によるものと考えられる。即ち、印加電
圧がフレデリックス閾値Vth以下のときは、液晶分子が
基板に平行であり、これにより黒色色素の分子も液晶分
子に拘束され、色素の分子長軸が基板に平行となってい
る。そのため、偏光板9を通過した入射光25(図1参
照)の大部分が黒色色素に吸収され、輝度レベルがほぼ
0レベルとなる。そして、フレデリックス閾値電圧Vth
以上の電圧領域では、液晶セル中央部から液晶分子が基
板に対して垂直方向に立ち上がってくる。この液晶分子
の動きに拘束されて色素分子も基板に対して垂直方向に
立ち上がってくる。そのため、黒色色素による光吸収が
低下することから、輝度レベルが上昇する。
【0034】ところで、液晶表示素子Aの電圧−輝度特
性は、フレデリックス閾値電圧Vth付近では、図4に示
すように、液晶セル10への印加電圧がフレデリックス
閾値電圧Vthを超えると、輝度レベルが緩やかな第1の
勾配で上昇し、約2.5V以上になると、第1の勾配よ
りも急激な第2の勾配で上昇する。これは、後述する図
7及び図8から理解される。即ち、フレデリックス閾値
電圧Vthを超え2.5Vに達するまでの第1の電圧領域
では、液晶分子の傾き角及び配向方位に大きな変化がな
く、2.5V以上になると液晶分子の傾き角及び配向方
位に大きな変化が生じる。そのため、液晶分子の動きに
拘束されて黒色色素の分子も、第1の電圧領域では殆ど
変動がなく、2.5V以上になると大きく変動し始め、
これにより黒色色素による光吸収が前段階に比べて大き
く低下することから、輝度レベルの勾配が大きくなると
考えられる。
【0035】そして、本発明に係る液晶表示素子は、主
にこのような電圧−輝度特性における勾配が急激に変化
する変化点における電圧値、即ち2.5Vよりも高電圧
側領域でもって表示を行うことを特徴とするものであ
り、以下に述べる実験結果により、中間調表示での高速
応答及び良好なコトラスト比が確認されている。
【0036】先ず、本発明者は、液晶表示素子Aを用い
て、駆動電圧を2.5Vから11.0Vの領域で表示を
行ない、輝度を測定してコントラスト比を算出した。そ
の結果、コントラスト比が136:1であり、中間調表
示が可能なコントラスト比を有することが確認された。
【0037】次に、液晶表示素子Aの印加電圧を2.5
Vから順次3.7V、4.9V、6.1V、7.3V、
8.5V、9.7V、10.9Vに変化させ、各変化時
の立ち上がり応答時間と立ち下がり応答時間を測定し
て、その和を求めた。その結果は、それぞれ43mse
c、39msec、37msec、35msec、35
msec、30msec、30msecであった。な
お、通常の液晶表示素子の場合の応答時間としては、例
えば、2.5Vと3.7V間の立ち上がり応答時間と立
ち下がり応答時間の和は150msec程度であり、ま
た、9.7Vと10.9V間の立ち上がり応答時間と立
ち下がり応答時間の和は30〜40msec程度である
ことが知られている。従って、上記実験結果から、液晶
表示素子Aは応答特性が極めてよいことが確認された。
【0038】よって、液晶表示素子Aを用いて、駆動電
圧を2.5Vから10.9Vの領域で表示を行なうこと
により、応答性の良好な中間調表示が可能であることが
理解される。なお、この実施形態では、8階調の表示に
ついて説明したけれども、本発明はこれに限定されるも
のではなく、8階調以上の複数階調の表示についても、
高速表示が可能であり、このことは、上記実験結果より
容易に推察することができる。
【0039】このように本実施形態は、液晶捻れ角ωが
180度である捻れ液晶セルにゲストホスト型(GH
型)液晶組成物を封入したものであり、STNモードの
液晶表示素子とは駆動電圧領域及び光の伝搬方式が異な
っている。また、本実施形態に従う電圧領域での表示に
より、OCB表示モードと同様に中間調表示での高速応
答が確認された。さらに、本実施形態では黒色色素の吸
収により光の透過を制御しているため、光学補償層が必
要でなく、視角による黒色相の変化は全く起こらなかっ
た。
【0040】従って、本実施形態に係る液晶表示素子
は、従来のOCBモードと同様の高速応答性を有しなが
らも、視角による色変わりが本質的になく、その実用的
価値は極めて大きい。
【0041】本実施形態では黒色色素を用いたが、用途
によっては他の色相の色素、あるいは顔料を用いても良
いことは言うまでもない。また、黒色色素を用いた場
合、黒表示時の輝度レベルをより下げるために、黒表示
の時にだけフレデリックス閾値電圧Vth以下の電圧を印
加して黒表示を行っても良い。
【0042】なお、参考までに述べると、本実施形態で
は、偏光板の偏光軸と基板界面近傍の液晶分子の長軸と
がほぼ平行とされたけれども、平行でなく例えば20
度、45度等特定角度となるように偏光板を配置するこ
とも考えられる。しかし、このような偏光軸と液晶分子
の長軸とが平行でない構成では、十分な黒色レベルが得
られず、画質が低下する。
【0043】これは、以下の理由によると考えられる。
偏光軸と液晶分子の長軸とが平行でない場合の電圧−輝
度特性は、高電圧領域においては本質的に、偏光軸と液
晶分子の長軸とが平行である場合の電圧−輝度特性と同
様であるが、低電圧領域において相違する。即ち、偏光
軸と液晶分子の長軸とが平行でない場合、電圧無印加時
には色素分子と偏光板とが平行でないことから、平行な
場合に比べて光の吸収が小さく、ある一定の輝度レベル
を有する。電圧印加時には、フレデリックス閾値電圧V
thを僅かに超えても、電圧無印加時の輝度レベルとほぼ
同様な輝度レベルを維持する。そして、更に印加電圧が
大きくなると、液晶分子の傾き角及び配向方位と、偏光
板の配置とが或る相対的な位置に達し、輝度レベルが大
きく低下する。更に印加電圧を大きくすると、印加電圧
の増大に伴って輝度レベルも上昇していく。
【0044】そして、輝度レベルが最も低下した時点で
の輝度レベルは、0レベルでなく、黒色表示として許容
できるレベル以上のレベルである。よって、このような
構成の液晶表示素子を使用した場合、十分な黒色レベル
が得られず、画質が劣とることになる。
【0045】但し、偏光軸と液晶分子の長軸とがほぼ垂
直となるように偏光板を配置した場合は、輝度レベルが
最も低下した時点での輝度レベルは、0レベルでない
が、黒色表示として許容できる範囲内のレベルとなるこ
とが、本発明者の実験より得られている。従って、偏光
軸と液晶分子の長軸とがほぼ垂直となるように偏光板を
配置し、輝度レベルが最も低下した時点よりも高電圧側
領域でもって表示を行うようにしてもよい。
【0046】(実施形態2)実施形態1では、液晶捻れ
角ωが180度であったけれども、本実施形態では、液
晶捻れ角ωが160度〜200度の範囲内のいずれかの
角度とされ、その他の構成は実施形態1と同様である。
このような本実施形態おいても、実施形態1と同様な効
果が得られた。以下に、具体的に説明する。液晶材料と
して黒色色素S−466(三菱化学株式会社製色素の商
品名)を1重量%含有するメルク社製液晶ZLI−22
93(NI点=85度、Δn=0.140)を用いたこ
と、液晶層厚を5μm、カイラルピッチを10μmとし
たこと、及び液晶捻れ角ωが異なること以外は実施形態
1の液晶表示素子Aと同様な製造方法で、7個の液晶表
示素子B〜Hを作製した。
【0047】なお、各液晶表示素子B〜Hの液晶捻れ角
ωは、表1に示すように150度、160度、170
度、180度、190度、200度、210度とした。
【表1】
【0048】次に、上記の各液晶表示素子B〜Hの応答
性について、以下の実験を行った。具体的には、各液晶
表示素子B〜Hの駆動電圧範囲(V1〜V2)を表2の
如く定義し、印加電圧をV1→V2およびV2→V1と
変化させた時の応答時間を測定し、それらの和で応答時
間を評価した。この実験結果を表3に示す。
【表2】
【表3】
【0049】表3からも明らかなように、液晶表示素子
B,Hでは、応答時間が50msec以上であり応答性
が悪いが、液晶表示素子C,D,E,F,Gでは応答時
間が40msec以下であり、その優れた高速応答性が
確認された。従って、高速応答可能な液晶捻れ角の範囲
は160度〜200度であることが理解される。
【0050】なお、液晶捻れ角が160度〜200度の
範囲で応答性が良好となるのは、以下の理由によるもの
と考えられる。即ち、捻れ液晶セルと偏光板を備えた液
晶表示素子では、その応答性が液晶の捻れと偏光板との
相対的な角度に依存し、或る角度範囲で応答性が良好に
なることが知られている。そして、偏光板がその偏光軸
を入射光側基板界面に存在する液晶分子と平行になるよ
うに配置された条件下で、上記応答性が良好となる角度
範囲となる液晶捻れ角の範囲は、160度〜200度の
範囲に対応するからである。従って、液晶捻れ角が16
0度〜200度の範囲内であれば、液晶分子の動きが、
駆動によって発生するバックフローに妨げられる程度が
可及的に抑えられ、OCBモードと同等の高速応答特性
を得ることができる。また、本実施形態に係る液晶表示
素子C,D,E,F,Gについて、種々の輝度レベルに
おいて色相の視野角依存性を観察したが、殆ど変化がな
く、その有用性が実証された。
【0051】なお、本実施形態では液晶材料のカイラル
ピッチを液晶層厚の2倍としたが、カイラルピッチは液
晶層厚の1倍〜3倍にするのが望ましい。これは、カイ
ラルピッチが液晶層厚よりも小さい場合には、液晶層の
捻れ角が所望の値よりも180度大きくなってしまうか
らである。また、カイラルピッチの値が液晶層厚の3倍
よりも大きい場合には、電圧無印加時での配向はスプレ
イ配向となっており、電圧を印加した場合、スプレイ配
向からベンド配向への転移がスムーズに起こらないから
である。
【0052】(実施形態3)上記実施形態2では、液晶
捻れ角ωが160度〜200度の範囲内のいずれかの角
度であったけれども、この実施形態3の液晶表示素子で
は、液晶捻れ角ωが250度〜290度の範囲内のいず
れかの角度とされ、その他の構成は実施形態1に係る液
晶表示素子Aと同様である。このような本実施形態に係
る液晶表示素子の代表例として、液晶捻れ角ωが270
度とされた液晶表示素子Lの電圧−輝度特性を図5及び
図6に示す。なお、図6は図5の一部を拡大したもので
ある。
【0053】この図5及び図6から明らかなように、本
実施形態の液晶表示素子の電圧−輝度特性は、上記の液
晶捻れ角ωが180度とされた液晶表示素子Aの電圧−
輝度特性と本質的には同様である。そして、本実施形態
に係る液晶表示素子は、上記実施形態1及び実施形態2
と同様に電圧−輝度特性における勾配が急激に変化する
変化点における電圧値(図5及び図6に示す3.6V)
よりも高電圧側領域でもって表示を行うことを特徴とす
るものであり、以下に述べる実験結果により、中間調表
示での高速応答及び良好なコトラスト比が確認されてい
る。以下に、具体的に説明する。
【0054】液晶材料として黒色色素S−466(三菱
化学株式会社製色素の商品名)を1重量%含有するメル
ク社製液晶ZLI−2293(NI点=85度、Δn=
0.140)を用い、液晶層厚を20μm、カイラルピ
ッチを24μmとし、液晶捻れ角ωが異なること以外は
上記実施形態1の液晶表示素子Aと同様な製造方法で、
7個の液晶表示素子I〜Oを作製した。
【0055】なお、各液晶表示素子I〜Oの液晶捻れ角
ωは、表4に示すように240度、250度、260
度、270度、280度、290度、300度とした。
【表4】 また、各液晶表示素子I〜Oの駆動電圧範囲(V1〜V
2)を表5の如く定義し、印加電圧をV1→V2および
V2→V1と変化させた時の応答時間の総和を表6に示
す。
【0056】
【表5】
【表6】 本実施形態では液晶捻れ角ωが大きく、液晶層厚が大き
い。そのため、表6からも明らかなように、応答特性は
若干悪いが、階調間駆動時の応答特性の低下は認められ
なかった。また液晶表示素子Lにつき、10.5Vを印
加した時の輝度と4.5Vを印加した時の輝度の比でも
ってコントラスト比を定義したところ、196の値が得
られた。I〜Oの他の液晶表示素子についても同様にコ
ントラストを算出した結果を併せて表6に示す。表6よ
り明らかなように、捻れ角250度〜290度の領域で
実用的なコントラストと応答特性が得られることが理解
される。なお、応答性に関して、液晶捻れ角が250度
〜290度の範囲の場合が、250度以下の場合および
290度以上の場合に比べて良好であるのは、前述した
液晶捻れ角が160度〜200度の範囲で応答性が良好
となるのと同様な理由による。また、液晶捻れ角が25
0度〜290度の範囲において、良好なコントラストが
得られるのは、以下の理由によると考えられる。即ち、
液晶捻れ角が290度以上であれば、液晶捻れ角が大き
すぎて、液晶層内の光の伝搬が捻れに追従できず、光損
失が大きくなって、十分なコントラストが得られないか
らである。また、液晶表示素子J〜Nにつき、種々の輝
度レベルにおいて、色相の視野角依存性を観察したが、
殆ど変化せず、その有用性が実証された。
【0057】本実施形態では液晶材料のカイラルピッチ
を液晶層厚の1.2倍としたが、液晶層厚の1倍〜2倍
が適格である。カイラルピッチが液晶層厚よりも小さい
場合には、液晶層の捻れ角が所望の値よりも180度大
きくなってしまうからである。また、逆にカイラルピッ
チが液晶層厚の2倍よりも大きい時には、液晶層の捻れ
角が所望の値よりも180度小さくなってしまう場合が
あるからである。
【0058】(実施形態4)上記実施形態1〜実施形態
3では、液晶表示素子の駆動電圧領域を、電圧−輝度特
性から規定したが、この実施形態では、液晶分子の平均
傾き角で規定する。即ち、液晶表示素子への電圧印加に
より輝度レベルが変化するが、これは、液晶分子の傾き
角の変化に伴う色素の傾き角の変化に起因したものであ
る。従って、駆動電圧領域を、電圧−輝度特性から規定
する他に、液晶分子の平均傾き角によっても規定するこ
とが可能である。そこで、本実施形態では、液晶表示素
子の駆動電圧領域を、液晶分子の平均傾き角により規定
した。以下、具体的に説明する。
【0059】実施形態1の液晶表示素子Aを用いて、液
晶表示素子Aのダイレクター分布を測定した。印加電圧
は、0Vから10Vまで1Vごと変化させた。実験結果
を、図7及び図8に示す。なお、図7は基板平面に対す
る液晶分子の傾き角を表し、図8は液晶配向方位を表し
ている。図7において、ラインX0は、印加電圧0Vを
印加した場合を示し、以下同様に、ラインX1,X2,
X3,X4,X5,X6,X7,X8,X9,X10
は、それぞれ印加電圧1V、2V、3V、4V、5V、
6V、7V、8V、9V、10Vを印加した場合を示
す。また、図8において、ラインY0は、印加電圧0V
を印加した場合を示し、以下同様に、ラインY1,Y
2,Y3,Y4,Y5,Y6,Y7,Y8,Y9,Y1
0は、それぞれ印加電圧1V、2V、3V、4V、5
V、6V、7V、8V、9V、10Vを印加した場合を
示す。
【0060】この図7及び図8から、印加電圧が2Vま
では、液晶分子の傾き角及び液晶配向方位の変化は極め
て小さく、3V以上になると、液晶分子の傾き角及び液
晶配向方位の変化が大きいことが理解される。このよう
な印加電圧に対応する液晶分子の傾き角及び液晶配向方
位の変化の相違に起因して、液晶表示素子Aの電圧−輝
度特性が、図4に示すように、2.5Vの前後で輝度レ
ベルの勾配が変化するすることになると考えられる。従
って、駆動電圧領域を規定するに当たって、電圧−輝度
特性から規定する場合の電圧領域と同一の電圧領域を、
液晶分子の平均傾き角によっても規定することが可能で
あることが理解される。
【0061】そこで、上記考えに基づき本発明者は、各
印加電圧に対する液晶分子の平均傾き角を計算した。そ
の結果を図9に示す。図3及び図9より、印加電圧2.
5Vに対応する液晶分子の平均傾き角は10度である。
従って、液晶捻れ角が160度〜200度の液晶表示素
子においては、液晶分子の平均傾き角が10度以上の領
域で表示が可能であることが分かる。10度未満の場合
には充分な輝度が得られず、実用的なコントラスト比が
得られない。
【0062】(実施形態5)上記実施形態4では、液晶
捻れ角ωの範囲が160度〜200度の液晶表示素子に
おいて、駆動電圧領域を液晶分子の平均傾き角により規
定したけれども、この実施形態5では、液晶捻れ角ωの
範囲が250度〜290度の液晶表示素子において、駆
動電圧領域を、液晶分子の平均傾き角により規定した。
このような実施形態5に係る液晶表示素子においても、
実施形態4と同様な効果を得られた。以下に、具体的に
説明する。
【0063】実施形態3で作成した液晶表示素子Lにお
けるダイレクター分布を、印加電圧を0Vから10Vま
で1Vごと変化させて計算した結果を図10及び図11
に示す。図10は基板平面に対する液晶分子の傾き角を
表し、図11は液晶配向方位を表している。また、図1
2は各印加電圧に対する液晶分子の平均傾き角を計算し
たものである。図5及び図12より、印加電圧3.6V
に対応する液晶分子の平均傾き角は20度である。従っ
て、液晶捻れ角が250度〜290度の液晶表示素子に
おいては、液晶分子の平均傾き角が20度以上の領域で
表示が可能であることが分かる。20度未満の場合には
十分な黒表示ができなく、実用的なコントラスト比が得
られない。
【0064】(実施の形態6)上記実施形態1〜5で
は、捻れ液晶セルが用いられたけれども、この実施形態
6では、液晶捻れ角ωが0度のスプレイ配向液晶セルを
用いることを特徴とするものであり、その他の構成は、
実施形態1の液晶表示素子Aと同様である。従って、こ
の実施形態6の液晶表示素子Pは、従来のOCBモード
の液晶セルに黒色色素を封入した液晶セルが用いられる
点と、偏光軸が基板のラビング方向とほぼ平行になるよ
うに偏光板を配置した点において相違する。また、本実
施形態は、ゲストホスト効果による表示モードであっ
て、従来のOCBモードで採用されている複屈折モード
でない点において相違する。この実施形態6に係る液晶
表示素子Pを、以下の方法で作製した。
【0065】透明電極2、7を有する2枚のガラス基板
1、8上に日本合成ゴム(株)製配向膜塗料AL−50
62をスピンコート法にて塗布し、恒温槽中180℃、
1時間硬化させる。その後、レーヨン製ラビング布を用
いて、図13に示す方向にラビング処理を施す。なお、
図13において、参照符号21は出射光側基板1のラビ
ング方向を示し、参照符号22は入射光側基板8のラビ
ング方向を示し、参照符号23は偏光板9の偏光軸方向
を示している。この実施形態6では、液晶捻れ角ω=0
度とするため、基板1のラビング方向21と基板8のラ
ビング方向22は同一方向とされている。。このような
ラビング処理の後、積水ファインケミカル(株)製スペ
ーサ4、およびストラクトボンド352A(三井東圧化
学(株)製シール樹脂の商品名)を用いて基板間隔が1
4μmとなるように貼り合わせ、空の液晶セル10を作
成した。
【0066】次に、カイラル材料を含まないチッソ
(株)製液晶LIXON−5052(NI点=104
度、Δn=0.102)100重量部と三井東圧化学株
式会社製黒色色素S−4661重量部を、真空注入法に
て空の液晶セル10に注入した。その後、偏光板9を、
図13の如く基板のラビング方向21,22と偏光板の
偏光軸方向23とが一致するよう液晶セル10に貼合
し、液晶表示素子Pを作成した。
【0067】次に、定法に従い、本発明の液晶表示素子
Pの電圧−輝度特性を30Hz矩形波を印加しながら測
定した。その結果を図14に示す。電圧無印加状態では
液晶層はスプレイ配向を示しているが、約2.3V付近
でベンド配向に転移した。図14において、駆動電圧が
1.8Vから12Vの領域で表示を行った時のコントラ
スト比は80:1であった。また2.3Vから2.8V
に電圧を変化させた時の立ち上がり応答時間と立ち下が
り応答時間の和は30msecであった。
【0068】次に、10Vと1.8Vで駆動した時の輝
度比(コントラスト比)が5:1以上となる視野角範囲
を図15に示す。図15から明らかなように本実施形態
の液晶表示素子Pは上下120度、左右160度以上の
の広い視野角特性を有しており、その実用的価値は非常
に大きい。また、本実施形態の液晶表示素子Pを2V〜
8Vの領域で駆動させた時の表示特性の視野角依存性を
観察したところ、階調反転は全く認められなかった。こ
のように本実施形態では、電圧印加により液晶層がベン
ド配向をとるスプレイ配向液晶セルを使用し、かつ、液
晶層に色素を封入することにより、従来のOCBモード
と同様に高速応答、及び広い視野角特性を有すると共
に、複屈折モードを採用する従来のOCBモードの課題
である視角による表示色相の視野角依存性を解消するこ
とができ、また、複屈折モードでないため、位相補償層
を設ける必要がない等の優れた利点を有する。
【0069】本実施形態においては、黒表示の時のみフ
レデリックス閾値電圧以下の電圧を印加したが、高コン
トラスト表示がそれ程要求されない場合には、図14に
おける2.3V付近よりも高電圧側のみで表示を行って
も良い。
【0070】(実施形態7)図16は本発明の実施形態
7に係る液晶表示素子の断面図である。本実施形態に係
る液晶表示素子Qは、反射板40を備えた反射型液晶表
示素子である。図16において、図1に示す液晶表示素
子Aと共通の構成要素には同一の参照符号を付す。この
液晶表示素子Qは、基本的には、実施形態6の構成に反
射板40を設けたものである。但し、液晶表示素子Qの
液晶層5には、カイラル材料が添加されている点におい
て、実施形態6の液晶表示素子Pと相違する。このよう
にカイラル材料を添加することにより、初期の液晶分子
の配向状態から捻れを含むベンド配向状態に速やかに移
行させることができ、応答性をより高めることができ
る。なお、この場合、液晶は中央部に捻れ配向が存在す
るベンド配向となるが、視野角の拡大に関して、実施形
態6と同様な効果が得られる。このような液晶表示素子
Qは、以下の方法で作製した。
【0071】透明電極2,7を有する2枚のガラス基板
1,8上に日本合成ゴム(株)製配向膜塗料AL−50
62をスピンコート法にて塗布し、恒温槽中180度、
1時間硬化させる。その後、レーヨン製ラビング布を用
いて液晶捻れ角ωが0度とすべく、基板1と基板8のラ
ビング方向を同一方向にしてラビング処理を施し、積水
ファインケミカル(株)製スペーサ4、およびストラク
トボンド352A(三井東圧化学(株)製シール樹脂の
商品名)を用いて基板間隔が10μmとなるように貼り
合わせ、空の液晶セル10を作成した。
【0072】次に、カイラルピッチが20μmとなるよ
う調製したチッソ(株)製液晶LIXON−5052
(NI点=104度、Δn=0.102)100重量部
と三井東圧化学株式会社製黒色色素S−4661重量部
を、真空注入法にて空の液晶セル10に注入た。その
後、その後、偏光板9を、基板のラビング方向と偏光板
の偏光軸方向とが一致するよう液晶セル10に貼合し、
更に反射板40を液晶セル10に貼合し、液晶表示素子
Qを作成した。
【0073】次に、定法に従い、本発明の液晶表示素子
Qの電圧−輝度特性を30Hz矩形波を印加しながら測
定したところ、正面でのコントラスト比30:1が得ら
れた。また、液晶表示素子Qを8階調表示した時の階調
間応答は全て30msec以下であり、かつ、色相の視
角依存性も認められなかった。また、実施形態6と同様
にしてコントラスト比が5:1以上の視野角領域を測定
したところ上下100度、左右115度の広い視野角特
性が得られ、その有用性が確認された。
【0074】この実施形態では、反射型液晶表示素子に
ついて説明したけれども、反射板を省略した透過型液晶
表示素子についても好適に実施することができる。また
上記実施形態1〜6では、透過型液晶表示素子について
説明したけれども、各実施形態1〜6においてそれぞれ
反射板を設け反射型液晶表示素子としても本発明は好適
に実施することができる。また上記実施形態1〜7にお
ける一方の基板をアクティブ素子を有するようにして、
アクティブマトリック型液晶表示素子に用いるようにし
てもよい。このようにすれば、より高品位の表示が得ら
れる。
【0075】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、160度
〜200度に捻れた液晶表示素子、250度〜290度
に捻れた液晶表示素子、あるいはOCBモード液晶表示
素子に、色素または顔料を封入することにより、補償層
が不要で、高速応答で広視野の表示性能を有し、しか
も、表示色相の視角依存性が極めて小さい高画質の表示
が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1に係る液晶表示素子Aの断
面図である。
【図2】本発明の実施形態1に係る液晶表示素子Aにお
ける各光学要素の配置方向を説明するための図である。
【図3】本発明の実施形態1に係る液晶表示素子Aの電
圧−輝度特性を示す図である。
【図4】図3の一部を拡大した図である。
【図5】本発明の実施形態3に係る液晶表示素子Lの電
圧−輝度特性を示す図である。
【図6】図5の一部を拡大した図である。
【図7】液晶表示素子Aにおける液晶分子ダイレクター
の極角方向の傾き角をシミュレーションにより算出した
図である。
【図8】液晶表示素子Aにおける液晶分子ダイレクター
の方位をシミュレーションにより算出した図である。
【図9】液晶表示素子Aにおける液晶分子ダイレクター
の極角方向の傾き角と印加電圧との関係を説明するため
の図である。
【図10】液晶表示素子Lにおける液晶分子ダイレクタ
ーの極角方向の傾き角をシミュレーションにより算出し
た図である。
【図11】液晶表示素子Lにおける液晶分子ダイレクタ
ーの方位をシミュレーションにより算出した図である。
【図12】液晶表示素子Lにおける液晶分子ダイレクタ
ーの極角方向の傾き角と印加電圧との関係を説明するた
めの図である。
【図13】本発明の実施形態6に係る液晶表示素子Pに
おける各光学要素の配置方向を説明するための図であ
る。
【図14】本発明の実施形態6に係る液晶表示素子Pの
電圧−輝度特性を示す図である。
【図15】本発明の実施形態6に係る液晶表示素子Pの
視野角特性を示す図である。
【図16】本発明の実施形態7に係る液晶表示素子Qの
断面図である。
【符号の説明】
1,8 …ガラス基板 2,7 …透明電極 3,6 …配向膜 5 …液晶層 9 …偏光板 10 …液晶セル 21 …基板1のラビング方向 22 …基板8のラビング方向 23 …偏光板9の偏光軸方向 40 …反射板 A,Q …液晶表示素子 ω …液晶捻れ角
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/137 G02F 1/139

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一対の基板間に液晶層を挟持した液晶セル
    と少なくとも1枚の偏光板とを有する液晶表示素子であ
    って、前記液晶層が色素あるいは顔料を含むと共に、電
    圧印加時に前記液晶セルの中央部にベンド配向が形成さ
    れ、液晶捻れ角が160度〜200度であることを特徴
    とする液晶表示素子。
  2. 【請求項2】前記液晶捻れ角が180度であることを特
    徴とする請求項1に記載の液晶表示素子。
  3. 【請求項3】一対の基板間に液晶層を挟持した液晶セル
    と少なくとも1枚の偏光板とを有する液晶表示素子であ
    って、前記液晶層が色素あるいは顔料を含むと共に、電
    圧印加時に前記液晶セルの中央部にベンド配向が形成さ
    れ、液晶捻れ角がほぼ0度であることを特徴とする液晶
    表示素子。
  4. 【請求項4】偏光板の透過軸方向が、液晶配列処理方向
    と略平行であることを特徴とする、請求項1から3のい
    ずれかに記載の液晶表示素子。
  5. 【請求項5】液晶層がカイラル材料を含んでいることを
    特徴とする請求項1または2に記載の液晶表示素子。
  6. 【請求項6】透過型液晶表示素子であることを特徴とす
    る、請求項1から5のいずれかに記載の液晶表示素子。
  7. 【請求項7】反射型液晶表示素子であることを特徴とす
    る、請求項1から5のいずれかに記載の液晶表示素子。
  8. 【請求項8】一対の基板のうちの一方の基板が、アクテ
    ィブ素子を備えていることを特徴とする請求項1から7
    のいずれかに記載の液晶表示素子。
  9. 【請求項9】一対の基板間に液晶層を挟持した液晶セル
    と少なくとも1枚の偏光板とを有し、電圧印加時に前記
    液晶セルの中央部にベンド配向が形成される液晶表示素
    子であって、ゲストホスト効果により表示を行うと共
    に、液晶捻れ角が160度〜200度であることを特徴
    とする液晶表示素子。
  10. 【請求項10】前記液晶捻れ角が180度であることを
    特徴とする請求項9に記載の液晶表示素子。
  11. 【請求項11】一対の基板間に液晶層を挟持した液晶セ
    ルと少なくとも1枚の偏光板とを有し、電圧印加時に前
    記液晶セルの中央部にベンド配向が形成される液晶表示
    素子であって、ゲストホスト効果により表示を行うと共
    に、液晶捻れ角がほぼ0度であることを特徴とする液晶
    表示素子。
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