JP6925787B2 - 液晶表示素子 - Google Patents
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Description
このうち、IPS方式は、2枚の基板間に充填された液晶分子に対し、基板表面に平行な方向(横方向)の電場を印加することで、液晶分子の配向方向を変化させ、表示を行っている。このようなIPS方式の液晶表示素子は、視覚特性に優れ、携帯電話、テレビジョン等をはじめとする幅広い機器に適用されている。
このとき、ラビング法や光配向法により形成された配向膜で液晶分子に強い拘束力を付与することによって、液晶分子を一定方向に配向した構成では、電場の付与を停止させると、液晶分子は、配向膜の強い拘束力によって変位した液晶分子の配向が迅速に元の配向状態に戻る。
これに対し、特許文献1に記載される構成においては、配向膜による拘束力が弱いため、液晶分子の配向が元の配向状態に回復するのに時間がかかる。この様な背景から、高い表示応答性が望まれている。
以下、本発明の第1実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
また、液晶分子の配向方向を制御するための配向膜として、液晶分子の配向方向を拘束する力が強い強アンカリング配向膜と、液晶分子の配向方向を拘束する力が弱い弱アンカリング配向膜と、がある。本発明は、互いに対向する配向膜の一方に強アンカリング配向膜を採用し、他方に弱アンカリング配向膜を採用した、片面弱アンカリング形式を対象とする。
図1、図2に示すように、液晶ディスプレイ10は、液晶パネル(液晶表示素子)11と、液晶パネル11に光を提供するバックライトユニット12と、を備えている。
偏光板14Bは、バックライトユニット12から離間した側に配置された基板13Bにおいて、バックライトユニット12とは反対側、もしくは、バックライトユニット12に対向する側に設けられている。
これら偏光板14A,14Bは、その透過軸方向が、互いに平行となるよう、配置されている。例えば、一方の偏光板14Aの透過軸方向、および他方の偏光板14Bの透過軸方向は、基板13Bに沿った方向Xに設定されている。
駆動電極層15は、基板13Aの表面に沿って、複数本の電極線20Aが並設されることで形成されている。ここで、図3に示すように、各電極線20Aは、その長軸方向が、例えば基板13Aの表面に平行な面内で方向Yに沿って延びるよう直線状に形成されている。駆動電極層15は、このような電極線20Aが、基板13Aの表面に平行な面内で方向Yに直交する方向Xに沿って、一定間隔ごとに並設されている。
弱アンカリング配向膜17は、液晶層18の液晶分子Lpを、その長軸方向が、基板13A,13Bの表面に平行な面内で、強アンカリング配向膜16における初期配向方向(図1では方向X)に直交する方向(図1では方向Y)にほぼ一致させるよう、初期配向方向が設定されている。
このカイラル剤の添加により、液晶層18においては、電場Eを非印加の状態で、強アンカリング配向膜16側から弱アンカリング配向膜17側に向かって、強アンカリング配向膜16側における液晶分子Lpの長軸方向の配向方向に対する液晶分子Lpの配向方向の変位量が漸次大きくなり、螺旋状に捩れた配向状態となる。具体的には、電場Eを非印加の状態で、液晶層18の液晶分子Lpが、強アンカリング配向膜16側から弱アンカリング配向膜17側に向けて、90°ツイストした配向状態になるよう、カイラル剤を添加するのが好ましい。
すなわち、図2に示すように、強アンカリング配向膜16は、電圧が印加されて電場Eが生成されても、液晶層18において強アンカリング配向膜16側の液晶分子Lpが、その長軸方向を、基板13A,13Bの表面に沿った面内で、強アンカリング配向膜16の配向処理方向(方向X)にほぼ一致させた初期配向状態を維持する。
これに対し、弱アンカリング配向膜17では、電圧が印加されることで電場Eが生成されたときに、印加電圧が閾値電圧以上となると、液晶層18の弱アンカリング配向膜17側において、液晶分子Lpが、カイラル剤によって付与された、螺旋状に捩れた配向状態を維持しようとするツイスト弾性力、及び、弱アンカリング配向膜17の拘束から離脱する。そして、液晶分子Lpの配向方向は、印加電圧の大きさに応じ、基板13A,13Bの表面に平行な面内で、初期配向方向(図2では方向Y)から変化する。
図1に示すように、電場Eを非印加の状態では、液晶分子Lpは、上記したように強アンカリング配向膜16側においては、初期配向状態が、液晶分子Lpの長軸方向が強アンカリング配向膜16の配向処理方向(図1では方向X)に沿う。これに対し、弱アンカリング配向膜17側では、液晶分子Lpの長軸方向が、弱アンカリング配向膜17の配向処理方向(図1では方向Y)に沿う。仮に、弱アンカリング配向膜17の規制力がゼロに近い場合には、弱アンカリング配向膜17に配向処理を行っても、初期配向方向を記憶させることができない。その場合でも、液晶層18の液晶分子Lpが、強アンカリング配向膜16側から弱アンカリング配向膜17側に向けて、90°ツイストする様、カイラル剤量が調整されているため、弱アンカリング配向膜17側では、液晶分子Lpの長軸方向が強アンカリング配向膜16の配向処理方向と直交する方向(図1では方向Y)に沿う。このとき、液晶パネル11の光学条件を、モーガン条件を満たし、かつ、式(1)が最小値を取るように設計することで、液晶層18に入射した直線偏光は、偏光状態を維持したまま偏光面が90°回転(旋光)して、液晶パネル11から出射する。このとき、液晶パネル11からの出射光の偏光方向と偏光板14Bの透過軸方向が直交するため、液晶パネル11からの出射光の大部分が偏光板14Bに吸収され、液晶パネル11からの出射光量を最小にすることができる。これにより、本実施形態におけるコントラスト比を最大にすることができる。ここで、一般に、セルギャップdが大きくなると、応答速度の低下が生じるため、液晶パネルの光学設計は、式(1)が最小値を取る複数の条件の中から、いわゆる、ファーストミニマム条件を選択するのが好ましい。
このような構成において、電場Eを非印加の状態では、図1に示すように、バックライトユニット12側から偏光板14Aを通過した光は、液晶層18において液晶分子Lpの配向方向の螺旋状分布に沿って偏光面が変化し、反対側の偏光板14Bに吸収される。
また、図2に示すように、閾値以上の所定の電場Eが液晶パネル11に印加されると、印加電場Eの大きさが大きくなるに従い、弱アンカリング配向膜17近傍の液晶分子Lpの初期配向方向に対する配向方向の変位量が漸次大きくなる。印加される電場Eの強度がある一定値に達したときに、液晶層18の液晶分子Lpは、強アンカリング配向膜16における配向処理方向(図2では方向X)に沿った一様配向状態に転移する。これにより、バックライトユニット12側から偏光板14Aを通過した光は反対側の偏光板14Bを透過する。
すなわち、液晶パネル11では、液晶の駆動方式として、液晶分子Lpを基板13A,13Bの表面に沿った面内で変位させるIPS駆動方式を採用する一方、旋光性を利用して、光のオン・オフ制御を行う。
ポリマーブラシは、例えば、次の一般式(1)で表される。
一般式(1)において、XはH又はCH3であり、mは正の整数であって、ポリマーブラシのTg(ガラス転移温度)が−5℃以下であるものである。
図5に示すように、液晶分子Lpは、基板13B上に形成されたポリマーブラシ2の表層部分に浸透しており、液晶分子Lpと接したポリマーブラシ2の表層部分は膨潤している(図中では、膨潤した状態は示していない)。
アレイ基板の例としては、アクティブマトリックスアレイ基板が挙げられる。このアクティブマトリックスアレイ基板は、一般的に、ガラス基板上にゲート配線及びソース配線がマトリックス状に配置されており、その交点部分に、薄層トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)などのアクティブ素子が形成され、このアクティブ素子に画素電極が接続されたものである。
なお、ポリマーブラシ2は、多数のグラフトポリマー鎖が上記に示した「高密度」よりも低い密度で設けられたものであってもよい。
このようにして、駆動電極層15で生成した電場Eによって配向方向を変位させた液晶分子Lpを、カイラル剤によって付与される復元力によって初期配向状態に戻すことによって、液晶分子Lpの駆動を高速化することが可能となる。これにより、液晶パネル11における表示応答性を高めることが可能となる。また、液晶分子Lpを初期状態に戻すために、別途電極等を設ける必要も無く、消費電力を抑えつつ、簡易な構成とすることができる。
そして、電場Eを印加した状態で、印加電場Eの大きさが大きくなるにつれて、弱アンカリング配向膜17近傍の液晶分子Lpの初期配向状態に対する配向方向の変位量が漸次大きくなる。
これにより、弱アンカリング配向膜17側の液晶分子Lpの配向方向を変化させるのに十分な所定の電圧を印加すれば、液晶パネル11の液晶層18が駆動され、表示を行うことができる。したがって、低電圧で液晶分子Lpを駆動することが出来る。
また、上記構成によれば、電場Eを非印加の状態では、光が、液晶分子Lpの配向に沿って変化し、偏光板14Bでほぼ全ての光が吸収され、透過率はほぼゼロとなる。一方、一定値以上の電場Eを印加した状態では、液晶層18は電場方向に平行な方向で一様配向し、液晶パネル11に入射した光は、ほぼ全量が偏光板14Bを透過するため、透過率、及び、コントラスト比の高い表示を行うことが可能となる。
次に、本発明にかかる液晶表示素子の第2実施形態について説明する。なお、以下に説明する第2実施形態においては、上記第1実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。この第2実施形態では、上記第1実施形態に対し、駆動電極層15における電極線20Bの配置が異なる。
図6は、第2実施形態として示した液晶ディスプレイの液晶パネルにおいて、誘電率異方性が正の液晶を用い、電場を印加しない状態における電極線と第一の配向膜近傍の液晶分子の配向方向との関係を示す図である。図7は、前記第2実施形態として示した液晶ディスプレイの液晶パネルにおいて、誘電率異方性が正の液晶を用い、電場を印加した状態における電極線と第一の配向膜近傍の液晶分子の配向方向との関係の他の例を示す図である。
次に、本発明にかかる液晶表示素子の第3実施形態について説明する。なお、以下に説明する第3実施形態においては、上記第1、第2実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。この第3実施形態では、上記第1,第2実施形態に対し、駆動電極層15における電極線20Cの配置が異なる。
図8は、第3実施形態として示した液晶ディスプレイの液晶パネルにおいて、誘電率異方性が正の液晶を用い、電場を印加しない状態における電極線と第一の配向膜近傍の液晶分子の配向方向との関係を示す図である。図9は、前記第3実施形態として示した液晶ディスプレイの液晶パネルにおいて、誘電率異方性が正の液晶を用い、電場を印加した状態における電極線と第一の配向膜近傍の液晶分子の配向方向との関係の他の例を示す図である。
ここで、駆動電極層15において、電極線20Cは、各画素において「く」字状に屈曲している。したがって、電場Eを印加したときに、方向Xに対し、角度αだけ傾斜した液晶分子Lpと、角度−αだけ傾斜した液晶分子Lpとが混在して画像を形成する。その結果、液晶パネル11を、パネル表面に対して傾斜した斜め方向から見た場合の画像劣化を抑えることができる。
次に、本発明にかかる液晶表示素子の第4実施形態について説明する。なお、以下に説明する第4実施形態においては、上記第1〜第3実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。この第4実施形態では、上記第1実施形態と同様の駆動電極層15を備え、ネガティブ型の液晶分子Lnを駆動する。
図10は、本発明の第4実施形態として示した液晶ディスプレイの概略構成を示す断面図である。図11は、前記第4実施形態として示した液晶ディスプレイの液晶パネルにおいて、誘電率異方性が負の液晶を用い、電場を印加した状態における液晶分子の配向方向の分布を示す図である。図12は、前記第4実施形態として示した液晶ディスプレイの液晶パネルにおいて、誘電率異方性が負の液晶を用い、電場を印加しない状態における電極線と第一の配向膜近傍の液晶分子の配向方向との関係を示す図である。図13は、前記第4実施形態として示した液晶ディスプレイの液晶パネルにおいて、誘電率異方性が負の液晶を用い、電場を印加した状態における電極線と液晶分子の配向方向との関係を示す図である。
図10に示すように、ネガティブ型の液晶分子Lnを用いる場合、電場Eを非印加の状態で液晶分子Lnの配向方向を規制するための強アンカリング配向膜16の配向処理方向を、各電極線20Aの長軸方向と平行な方向(図10では方向Y)とする。また、弱アンカリング配向膜17の配向処理方向を、強アンカリング配向膜16の配向処理方向に直交する方向(図10では方向X)とする。
また、液晶層18には、電場Eを非印加の状態で液晶分子Lnを強アンカリング配向膜16側から弱アンカリング配向膜17側に向かって螺旋状に配向(初期配向状態)させるとともに、電場Eの印加を解除したときに螺旋状の初期配向状態に復元させる復元力を付与するカイラル剤が添加されている。
すると、この実施形態における液晶ディスプレイ10は、電場Eを非印加の状態では、バックライトユニット12側から偏光板14Aを通過した光は、液晶分子Lnの配向方向の分布に沿って偏光面が変化し、ほぼ全ての光が反対側の偏光板14Bに吸収される。
次に、本発明にかかる液晶表示素子の第5実施形態について説明する。なお、以下に説明する第5実施形態においては、上記第1〜第4実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。この第5実施形態では、上記第2実施形態と同様の駆動電極層15を備え、ネガティブ型の液晶分子Lnを駆動する。
図14は、第5実施形態として示した液晶ディスプレイの液晶パネルにおいて、誘電率異方性が負の液晶を用い、電場を印加しない状態における電極線と第一の配向膜近傍の液晶分子の配向方向との関係を示す図である。図15は、前記第5実施形態として示した液晶ディスプレイの液晶パネルにおいて、誘電率異方性が負の液晶を用い、電場を印加した状態における電極線と第一の配向膜近傍の液晶分子の配向方向との関係の他の例を示す図である。
次に、本発明にかかる液晶表示素子の第6実施形態について説明する。なお、以下に説明する第6実施形態においては、上記第1〜第5実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。この第6実施形態では、上記第3実施形態と同様の駆動電極層15を備え、ネガティブ型の液晶分子Lnを駆動する。
図16は、第6実施形態として示した液晶ディスプレイの液晶パネルにおいて、誘電率異方性が負の液晶を用い、電場を印加しない状態における電極線と第一の配向膜近傍の液晶分子の配向方向との関係を示す図である。図17は、前記第6実施形態として示した液晶ディスプレイの液晶パネルにおいて、誘電率異方性が負の液晶を用い、電場を印加した状態における電極線と第一の配向膜近傍の液晶分子の配向方向との関係の他の例を示す図である。
ここで、駆動電極層15において、電極線20Cは、各画素において「く」字状に屈曲している。したがって、電場Eを印加したときに、互いに異なる2種類の角度に傾斜した液晶分子Lnが混在して画像を形成する。その結果、液晶パネル11を、パネル表面に対して傾斜した斜め方向から見た場合の画像劣化を抑えることができる。
また、本実施形態では、弱アンカリング配向膜17側の液晶分子Lnの配向方向が電場Eに垂直となった際、液晶分子Lnの配向方向と偏光板14Bの透過軸方向とが完全に一致しないため、第4実施形態に示した構成よりも最大透過率は若干低下するが、従来のIPS方式の液晶パネルよりも高い最大透過率を実現することが可能となる。
次に、本発明にかかる液晶表示素子の第7実施形態について説明する。なお、以下に説明する第7実施形態においては、上記各実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。この第7実施形態では、上記第1実施形態に対し、偏光板14Bの透過軸方向が異なっている。
図18は、第7実施形態として示した液晶ディスプレイの、(a)は電場を印加していない状態における、(b)は電場を印加した状態における、各々の概略構成を示す断面図である。図18(a)、(b)においては、偏光板14A、14B、強アンカリング配向膜16、及び、弱アンカリング配向膜17の右側に、各部材の透過軸方向や配向方向を意味する方向を図示している。後述する図19〜25においても同様である。第1実施形態においては、偏光板14Bの透過軸方向は方向Xであったが、本第7実施形態においては、方向Yに設定されている。これにより、偏光板14A,14Bは、その透過軸方向が、互いに垂直に、すなわちクロスニコルとなるよう、配置されている。
また、図18(b)に示すように、閾値以上の所定の電場Eが液晶パネル11に印加されると、印加電場Eの大きさが大きくなるに従い、弱アンカリング配向膜17近傍の液晶分子Lpの初期配向方向に対する配向方向の変位量が漸次大きくなる。印加される電場Eの強度がある一定値に達したときに、液晶層18の液晶分子Lpは、強アンカリング配向膜16における配向処理方向(図18では方向X)に沿った一様配向状態に転移する。これにより、バックライトユニット12側から偏光板14Aを通過した光は、偏光面が変化しない状態で偏光板14Bに到達する。ここで、偏光板14Bの透過軸方向は偏光板14Aと直交しているため、光は偏光板14Bに吸収される。
このように、偏光板14A,14Bをクロスニコルとなるように配置することにより、上記第1〜第6実施形態で説明したような、電圧非印加時に表示が暗く、電圧印加時に明るくなる、いわゆる、ノーマリーブラック型の液晶パネル11とは異なり、液晶パネル11を、電圧非印加時に表示が明るく、電圧印加時に暗くなる、いわゆる、ノーマリーホワイト型として構成することができる。
ここで、人間の眼においては、黒色の輝度変化に敏感である一方で、明るい色が多少暗くなったとしても認識しにくい傾向がある。すなわち、電場Eを印加していない場合に暗いノーマリーブラック型の液晶パネル11の場合においては、例えば日によって、液晶パネル11に出力される黒色の輝度が微妙に異なるために、人間の眼にその輝度変化を認識されやすいが、電場Eを印加していない場合に明るいノーマリーホワイト型の液晶パネル11の場合においては、輝度変化が人間の眼に認識されにくい。これにより、上記第1実施形態として示したノーマリーブラック型の液晶パネル11よりも、人間の眼により自然に映るノーマリーホワイト型の液晶パネル11を提供することが可能となる。
なお、本第7実施形態が、上記第1実施形態と同様な効果を奏することは言うまでもない。
次に、本発明にかかる液晶表示素子の第8実施形態について説明する。なお、以下に説明する第8実施形態においては、上記各実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。この第8実施形態では、上記第4実施形態に対し、偏光板14Bの透過軸方向が異なっている。
図19は、第8実施形態として示した液晶ディスプレイの、(a)は電場を印加していない状態における、(b)は電場を印加した状態における、各々の概略構成を示す断面図である。第4実施形態においては、偏光板14Bの透過軸方向は方向Yであったが、本第7実施形態においては、方向Xに設定されている。これにより、偏光板14A,14Bは、その透過軸方向が、互いに垂直に、すなわちクロスニコルとなるよう、配置されている。
また、図19(b)に示すように、閾値以上の所定の電場Eが液晶パネル11に印加されると、印加電場Eの大きさが大きくなるに従い、弱アンカリング配向膜17近傍の液晶分子Lnの初期配向方向に対する配向方向の変位量が漸次大きくなる。印加される電場Eの強度がある一定値に達したときに、液晶層18の液晶分子Lnは、強アンカリング配向膜16における配向処理方向(図19では方向Y)に沿った一様配向状態に転移する。これにより、バックライトユニット12側から偏光板14Aを通過した光は、偏光面が変化しない状態で偏光板14Bに到達する。ここで、偏光板14Bの透過軸方向は偏光板14Aと直交しているため、光は偏光板14Bに吸収される。
また、電場Eは、実際には図18に描かれているように、電極線20から略放射状に発生する。液晶は電場Eに沿うように変位するため、誘電的性質が液晶分子の長軸方向に大きいポジティブ型の液晶の場合は、特に電極線20から離れた位置においては、鉛直方向に傾くように変位しがちである。他方、ネガティブ型の液晶の場合は、誘電的性質が液晶分子の長軸方向に小さく長軸方向に直交する方向に大きいため、電極線20から離れた位置においても、液晶が長軸方向における中心線を中心として回転するように変位し、結果として、鉛直方向に傾くように変位しにくい。
上記の効果が相乗し、ネガティブ型の液晶を用いた本第8実施形態は、上記第7実施形態以上に、人間の眼により自然に映る液晶パネル11を提供することが可能となる。
なお、本第8実施形態が、上記第4実施形態と同様な効果を奏することは言うまでもない。
次に、本発明にかかる液晶表示素子の第9実施形態について説明する。なお、以下に説明する第9実施形態においては、上記各実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。この第9実施形態では、上記第1実施形態に対し、強アンカリング配向膜16及び弱アンカリング配向膜17の位置が入れ替わっている。
図20は、第9実施形態として示した液晶ディスプレイの、(a)は電場を印加していない状態における、(b)は電場を印加した状態における、各々の概略構成を示す断面図である。本第9実施形態においては、基板(第一の基板)13Bがバックライト12側に、基板(第二の基板)13Aがバックライトユニット12から離間した側に位置している。
偏光板(第二の偏光板)14Aは、バックライトユニット12から離間した側に配置された基板13Aにおいて、バックライトユニット12とは反対側に設けられている。
これら偏光板14A,14Bは、その透過軸方向が、互いに直交するよう、配置されている。例えば、一方の偏光板14Bの透過軸方向は方向Yに、他方の偏光板14Aの透過軸方向は方向Xに、それぞれ設定されている。
弱アンカリング配向膜(第一の配向膜)17は、バックライトユニット12側の基板13Bにおいて、バックライトユニット12の反対側に形成されている。弱アンカリング配向膜17は、液晶層18の液晶分子Lpを、その長軸方向が方向Yにほぼ一致させるよう、初期配向方向が設定されている。
また、図20(b)に示すように、閾値以上の所定の電場Eが液晶パネル11に印加されると、印加電場Eの大きさが大きくなるに従い、弱アンカリング配向膜17近傍の液晶分子Lpの初期配向方向に対する配向方向の変位量が漸次大きくなる。印加される電場Eの強度がある一定値に達したときに、液晶層18の液晶分子Lpは、強アンカリング配向膜16における配向処理方向(図20では方向X)に沿った一様配向状態に転移する。これにより、バックライトユニット12側から偏光板14Bを通過した光は、偏光面が変化しない状態で偏光板14Aに到達する。ここで、偏光板14Aの透過軸方向は偏光板14Bと直交しているため、光は偏光板14Aに吸収される。
また、図18(b)を用いて説明したように、電場Eは、電極線20から略放射状に発生する。このため、電場Eは、電極線20に近い位置ほど基板13Bに平行に近く、また、電極線20から遠くなるほど鉛直方向に立ち上がるように作用する。ここで、本第9実施形態においては、液晶分子Lpの配向方向が変位する弱アンカリング配向膜17が、電極線20側に形成されている。したがって、電極線20から離れた位置に弱アンカリング配向膜17を形成した場合に比べると、液晶分子Lpが鉛直方向に傾くように変位することが少なくなる。
上記の効果が相乗し、上記第1及び第7実施形態以上に、人間の眼により自然に映る液晶パネル11を提供することが可能となる。
なお、本第9実施形態が、上記第1及び第7実施形態と同様な効果を奏することは言うまでもない。
次に、本発明にかかる液晶表示素子の第10実施形態について説明する。なお、以下に説明する第10実施形態においては、上記各実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。この第10実施形態では、上記第4実施形態に対し、上記第9実施形態と同様に、強アンカリング配向膜16及び弱アンカリング配向膜17の位置が入れ替わっている。
図21は、第10実施形態として示した液晶ディスプレイの、(a)は電場を印加していない状態における、(b)は電場を印加した状態における、各々の概略構成を示す断面図である。本第10実施形態においては、基板(第一の基板)13Bがバックライト12側に、基板(第二の基板)13Aがバックライトユニット12から離間した側に位置している。
偏光板14A,14Bは、その透過軸方向が、互いに直交するよう、配置されている。ここでは、上記第9実施形態とは異なり、一方の偏光板14Bの透過軸方向は方向Xに、他方の偏光板14Aの透過軸方向は方向Yに、それぞれ設定されている。
強アンカリング配向膜16及び弱アンカリング配向膜17は、上記第9実施形態とは異なり、液晶層18のネガティブ型の液晶分子Lnを、その長軸方向がそれぞれ方向Y、方向Xにほぼ一致させるよう、初期配向方向が設定されている。
また、図21(b)に示すように、閾値以上の所定の電場Eが液晶パネル11に印加されると、印加電場Eの大きさが大きくなるに従い、弱アンカリング配向膜17近傍の液晶分子Lnの初期配向方向に対する配向方向の変位量が漸次大きくなる。印加される電場Eの強度がある一定値に達したときに、液晶層18の液晶分子Lnは、強アンカリング配向膜16における配向処理方向(図21では方向Y)に沿った一様配向状態に転移する。これにより、バックライトユニット12側から偏光板14Bを通過した光は、偏光面が変化しない状態で偏光板14Aに到達する。ここで、偏光板14Aの透過軸方向は偏光板14Bと直交しているため、光は偏光板14Aに吸収される。
また、液晶分子Lnの配向方向が変位する弱アンカリング配向膜17が電極線20側に形成されており、かつ、液晶分子Lnはネガティブ型であるため、上記第8、第9実施形態の各々において説明したように、液晶分子Lnが鉛直方向に傾くように変位することが少なくなる。
上記の効果が相乗し、上記第7〜第9実施形態以上に、人間の眼により自然に映る液晶パネル11を提供することが可能となる。
なお、本第10実施形態が、上記第4実施形態と同様な効果を奏することは言うまでもない。
次に、本発明にかかる液晶表示素子の第11実施形態について説明する。なお、以下に説明する第11実施形態においては、上記各実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。この第11実施形態では、上記第7実施形態の、液晶パネル11が上下方向に反転した構造を備えている。
図22は、第11実施形態として示した液晶ディスプレイの、(a)は電場を印加していない状態における、(b)は電場を印加した状態における、各々の概略構成を示す断面図である。本第11実施形態においては、基板(第一の基板)13Bがバックライト12側に、基板(第二の基板)13Aがバックライトユニット12から離間した側に位置している。
偏光板(第二の偏光板)14Aは、バックライトユニット12から離間した側に配置された基板13Aにおいて、バックライトユニット12とは反対側に設けられている。
これら偏光板14A,14Bは、その透過軸方向が、互いに直交するよう、配置されている。例えば、一方の偏光板14Bの透過軸方向は方向Yに、他方の偏光板14Aの透過軸方向は方向Xに、それぞれ設定されている。
弱アンカリング配向膜(第一の配向膜)17は、バックライトユニット12側の基板13Bにおいて、バックライトユニット12とは反対側に形成されている。弱アンカリング配向膜17は、液晶層18の液晶分子Lpを、その長軸方向が方向Yにほぼ一致させるよう、初期配向方向が設定されている。
また、図22(b)に示すように、閾値以上の所定の電場Eが液晶パネル11に印加されると、印加電場Eの大きさが大きくなるに従い、弱アンカリング配向膜17近傍の液晶分子Lpの初期配向方向に対する配向方向の変位量が漸次大きくなる。印加される電場Eの強度がある一定値に達したときに、液晶層18の液晶分子Lpは、強アンカリング配向膜16における配向処理方向(図22では方向X)に沿った一様配向状態に転移する。これにより、バックライトユニット12側から偏光板14Bを通過した光は、偏光面が変化しない状態で偏光板14Aに到達する。ここで、偏光板14Aの透過軸方向は偏光板14Bと直交しているため、光は偏光板14Aに吸収される。
次に、本発明にかかる液晶表示素子の第12実施形態について説明する。なお、以下に説明する第12実施形態においては、上記各実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。この第12実施形態では、上記第8実施形態の、液晶パネル11が上下方向に反転した構造を備えている。
図23は、第12実施形態として示した液晶ディスプレイの、(a)は電場を印加していない状態における、(b)は電場を印加した状態における、各々の概略構成を示す断面図である。本第12実施形態においては、基板(第一の基板)13Bがバックライト12側に、基板(第二の基板)13Aがバックライトユニット12から離間した側に位置している。
偏光板14A,14Bは、その透過軸方向が、互いに直交するよう、配置されている。ここでは、上記第11実施形態とは異なり、一方の偏光板14Bの透過軸方向は方向Xに、他方の偏光板14Aの透過軸方向は方向Yに、それぞれ設定されている。
強アンカリング配向膜16及び弱アンカリング配向膜17は、上記第11実施形態とは異なり、液晶層18のネガティブ型の液晶分子Lnを、その長軸方向がそれぞれ方向Y、方向Xにほぼ一致させるよう、初期配向方向が設定されている。
また、図23(b)に示すように、閾値以上の所定の電場Eが液晶パネル11に印加されると、印加電場Eの大きさが大きくなるに従い、弱アンカリング配向膜17近傍の液晶分子Lnの初期配向方向に対する配向方向の変位量が漸次大きくなる。印加される電場Eの強度がある一定値に達したときに、液晶層18の液晶分子Lnは、強アンカリング配向膜16における配向処理方向(図23では方向Y)に沿った一様配向状態に転移する。これにより、バックライトユニット12側から偏光板14Bを通過した光は、偏光面が変化しない状態で偏光板14Aに到達する。ここで、偏光板14Aの透過軸方向は偏光板14Bと直交しているため、光は偏光板14Aに吸収される。
次に、本発明にかかる液晶表示素子の第13実施形態について説明する。なお、以下に説明する第13実施形態においては、上記各実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。この第13実施形態では、上記第9実施形態の、液晶パネル11が上下方向に反転した構造を備えている。
図24は、第13実施形態として示した液晶ディスプレイの、(a)は電場を印加していない状態における、(b)は電場を印加した状態における、各々の概略構成を示す断面図である。本第13実施形態においては、基板(第一の基板)13Bがバックライト12から離間した側に、基板(第二の基板)13Aがバックライトユニット12側に位置している。
偏光板(第一の偏光板)14Bは、バックライトユニット12から離間した側に配置された基板13Bにおいて、バックライトユニット12とは反対側に設けられている。
これら偏光板14A,14Bは、その透過軸方向が、互いに直交するよう、配置されている。例えば、一方の偏光板14Bの透過軸方向は方向Yに、他方の偏光板14Aの透過軸方向は方向Xに、それぞれ設定されている。
弱アンカリング配向膜(第一の配向膜)17は、バックライトユニット12から離間した側の基板13Bにおいて、バックライトユニット12に対向する側に形成されている。弱アンカリング配向膜17は、液晶層18の液晶分子Lpを、その長軸方向が方向Yにほぼ一致させるよう、初期配向方向が設定されている。
また、図24(b)に示すように、閾値以上の所定の電場Eが液晶パネル11に印加されると、印加電場Eの大きさが大きくなるに従い、弱アンカリング配向膜17近傍の液晶分子Lpの初期配向方向に対する配向方向の変位量が漸次大きくなる。印加される電場Eの強度がある一定値に達したときに、液晶層18の液晶分子Lpは、強アンカリング配向膜16における配向処理方向(図24では方向X)に沿った一様配向状態に転移する。これにより、バックライトユニット12側から偏光板14Aを通過した光は、偏光面が変化しない状態で偏光板14Bに到達する。ここで、偏光板14Bの透過軸方向は偏光板14Aと直交しているため、光は偏光板14Bに吸収される。
次に、本発明にかかる液晶表示素子の第14実施形態について説明する。なお、以下に説明する第14実施形態においては、上記各実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。この第14実施形態では、上記第10実施形態の、液晶パネル11が上下方向に反転した構造を備えている。
図25は、第14実施形態として示した液晶ディスプレイの、(a)は電場を印加していない状態における、(b)は電場を印加した状態における、各々の概略構成を示す断面図である。本第14実施形態においては、基板(第二の基板)13Aがバックライト12側に、基板(第一の基板)13Bがバックライトユニット12から離間した側に位置している。
偏光板14A,14Bは、その透過軸方向が、互いに直交するよう、配置されている。ここでは、上記第13実施形態とは異なり、一方の偏光板14Bの透過軸方向は方向Xに、他方の偏光板14Aの透過軸方向は方向Yに、それぞれ設定されている。
強アンカリング配向膜16及び弱アンカリング配向膜17は、上記第13実施形態とは異なり、液晶層18のネガティブ型の液晶分子Lnを、その長軸方向がそれぞれ方向Y、方向Xにほぼ一致させるよう、初期配向方向が設定されている。
また、図25(b)に示すように、閾値以上の所定の電場Eが液晶パネル11に印加されると、印加電場Eの大きさが大きくなるに従い、弱アンカリング配向膜17近傍の液晶分子Lnの初期配向方向に対する配向方向の変位量が漸次大きくなる。印加される電場Eの強度がある一定値に達したときに、液晶層18の液晶分子Lnは、強アンカリング配向膜16における配向処理方向(図25では方向Y)に沿った一様配向状態に転移する。これにより、バックライトユニット12側から偏光板14Aを通過した光は、偏光面が変化しない状態で偏光板14Bに到達する。ここで、偏光板14Bの透過軸方向は偏光板14Aと直交しているため、光は偏光板14Bに吸収される。
第1実施例においては、図18を用いて説明した上記第7実施形態の構成に基づき、液晶パネルを製作した。より具体的には、酸化インジウムスズ(ITO)製のくし歯状をなす電極線20(厚み:約55nm、電極幅L/電極間距離S=4μm/10μm)が形成された基板13A(本実施例における電極基板)と、対向するように基板13B(本実施例における対向基板)を貼り合わせ、その空隙に液晶を充填した液晶パネル11を製作した。
より具体的には、まず、基板をアセトンとクロロホルムで15分ずつ超音波洗浄した後、窒素ガスを吹きかけ乾燥させ、その後、UV−O3処理を15分間行った。この段階において、ポリマーブラシを形成しない領域、すなわち、後に電極基板と対向基板を貼り合せる際にシール材を付着させる部分は、マスキングテープで保護した。
ラビング処理は電極基板と対向基板を貼り合せた際に、電極基板のラビング方向とくし歯電極との為す角度が90°となる様に行った。
このとき、液晶の捩れのピッチPは4d(24μm)であり、モーガン条件を満たしている為、液晶パネルの光学軸に平行、または垂直に入射した直線偏光は、直線偏光状態を維持したまま、偏光面が回転して旋光性を示すことが期待される。
また、液晶パネルに電場を印加すると、PHMAブラシ界面の液晶は電場と平行な方向に回転する為、電極基板から対向基板にかけてホモジニアス配向することが想定される。この時、液晶パネルの光学軸に平行、または垂直に入射した直線偏光は、直線偏光状態を維持したまま透過する。したがって、偏光板14A、14Bをクロスニコルに配置した場合においては、これら2枚の偏光板を透過することができないため、液晶パネルをノーマリーホワイト型として構成することが可能である。
上記のように製作した、第1実施例における液晶パネルを、偏光顕微鏡で観察した。偏光顕微鏡は、オリンパス株式会社製のBX50Pを使用した。偏光顕微鏡では、電場を印加していない状態において、液晶は電極基板から対向基板に向かって、一様に螺旋配向していることが確認された。
透過軸方向間の角度が、液晶分子の配向状態の捩れ角である90°近辺においては、透過光量が最も多くなっている。すなわち、液晶パネルの光学軸に平行、または垂直に入射した直線偏光は、偏光面が回転して旋光性を示し、その結果として、上側に位置して透過軸方向が偏光板14Aと直交する偏光板14Bを透過していることが観察された。
逆に、2つの偏光板14A、14Bの透過軸方向が互いに平行である場合、すなわち、透過軸方向間の角度が0°、180°近辺においては、透過光量が最も少なくなっている。すなわち、液晶パネルの光学軸に平行、または垂直に入射した直線偏光は、偏光面が回転して旋光性を示し、その結果として、上側に位置して透過軸方向が偏光板14Aと平行な偏光板14Bに吸収されていることが観察された。
次に、上記第1実施例に対して、印加電圧と透過率、及び応答速度の関係を観察した。本測定は、大塚電子株式会社製のLCD−5200を使用した。この観察における比較対象として、第1比較例を製作した。第1比較例は、図24として示される上記第13実施形態における構造において、液晶層18にカイラル剤が添加されておらず、かつ、各偏光板の透過軸方向と各配向膜の配向方向の各々が図24に示されている方向とは直交するように設けられているものを使用した。すなわち、第1比較例においては、電圧を印加していない場合、カイラル剤を含まないために液晶分子Lpが互いに平行に配向して位置しており、なおかつ、2枚の偏光板が透過軸方向が直交するように設けられているので、電圧非印加時に表示が暗くなり、ノーマリーブラック型として構成されている。電圧を印加した場合には、液晶分子Lpは図24(a)のように配向し、明るく表示される。
まず、印加電圧と透過率の関係に関する実験結果について説明する。本実験に先立ち、上記第1実施例に対して、図18(a)で示した液晶パネルと同様の形態となるように、基板13A(電極基板)と基板13B(対向基板)の各々に、偏光板14A、14Bを貼り付けた。ここで、偏光板14A、14Bは、透過軸方向が互いに直交するように、なおかつ、電極基板に設けられたポリイミド配向膜表面のラビング方向と下側に位置する偏光板14Aの透過軸方向が一致するように調整した。第1引用例に関しても、図24(b)で示した液晶パネルと同様の形態となるように、2枚の偏光板を貼り付けた。
図28(b)は、横軸として示される各温度における、V0、V50、V90、T0、及びV90/V10の値を示す。図29(b)も同様であるが、一部の指標が図28(b)とは異なっている。上記各指標のうち、Vは電圧、Tは透過率を示す。また、V、Tの後に記される数字は、0から100までの値に正規化された、図28(a)、図29(a)における透過率の値を示す。すなわち、V0は、透過率が最小値となるときの、すなわち最も暗く表示されるときの電圧値を示す。V50は、透過率が(最大値―最小値)×0.5の値をとるときの電圧値を示す。V100は、透過率が最大値となるときの、すなわち最も明るく表示されるときの電圧値を示す。T0、及び図29(b)に示されるT100は、それぞれ、透過率の最小値、最大値を示す。他の指標も同様である。
V90/V10は、透過率の変位の急峻性を表すものである。図28(a)、図29(a)からわかるように、透過率が最小値、最大値を示す部分近傍においては、他の部分に比べると傾きが緩やかになっており、電圧の変化に対して透過率は比較的なだらかに変位している。すなわち、これらのなだらかに変位している部分に起因する雑音を除き、これらの間の、透過率の傾向が同じ部分のみ抽出するために、急峻性としてV90/V10の値を使用している。
第1比較例はノーマリーブラック型の液晶パネルである。第1比較例の実験結果を示す図29においても、電圧が印加されていない場合に透過率が低くなっており、電圧を印加すると、透過率が上がっている。
また、図29(b)のT100によると、第1比較例においては、特に温度が室内温度となり得る45℃以下においては、透過率の最大値が概ね14.00以下となっている。これに対し、図28(a)によると、全ての温度において、透過率の最大値が14.00よりも大きくなっている。すなわち、第1実施例においては、第1比較例であるカイラル剤を使用しない液晶パネルよりも、高い透過率を備えていることが確認できた。
次に、印加電圧と電圧オフ時応答速度の関係に関する実験結果について説明する。図30、図31は、それぞれ、第1実施例と第1比較例における、電圧と応答速度に関する実験結果を示している。図30、図31の横軸は電圧(V)を、縦軸は当該電圧付与時の応答速度(m秒)を、それぞれ示している。
図30におけるグラフ30a、及び、図31におけるグラフ31aは、共に、液晶パネルが暗い状態から明るい状態に推移するときの応答速度を示している。また、図30におけるグラフ30b、及び、図31におけるグラフ31bは、共に、液晶パネルが明るい状態から暗い状態に推移するときの応答速度を示している。
第1実施例においては、ノーマリーホワイト型の液晶パネルであるため、電圧が印加状態から非印加状態になるときの応答速度を表すグラフは、このときには液晶パネルは暗い状態から明るい状態に推移するため、グラフ30aである。
第1比較例においては、ノーマリーブラック型の液晶パネルであるため、電圧が印加状態から非印加状態になるときの応答速度を表すグラフは、このときには液晶パネルは明るい状態から暗い状態に推移するため、グラフ31bである。
すなわち、ここではグラフ30aとグラフ31bを比較する。
次に、図32〜34に示される他の実施例及び引用例を用いて、応答速度を比較する。
図32(a)は、第2実施例の説明図である。第2実施例は、図20を用いて説明した上記第9実施形態の構成に基づく液晶パネルである。すなわち、バックライトユニット側の基板にゼロアンカリング配向膜と電極が、他の基板に強アンカリング配向膜が形成され、液晶層にポジティブ型のカイラル剤を含むものである。
また、図32(b)は、第2比較例の説明図である。第2比較例は、第2実施例に比べると、液晶層にカイラル剤が添加されておらず、かつ、各偏光板の透過軸方向と各配向膜の配向方向の各々が第2実施例とは直交するように設けられた液晶パネルである。
また、図33(b)は、第3比較例の説明図である。第3比較例は、第3実施例に比べると、液晶層にカイラル剤が添加されておらず、かつ、各偏光板の透過軸方向と各配向膜の配向方向の各々が第3実施例とは直交するように設けられた液晶パネルである。
また、図34(b)は、第4比較例の説明図である。第4比較例は、第4実施例に比べると、液晶層にカイラル剤が添加されておらず、かつ、各偏光板の透過軸方向と各配向膜の配向方向の各々が第4実施例とは直交するように設けられた液晶パネルである。
「応答速度(オン)」の項目は、第2〜第4実施例においては、電圧を印加して、透過率が電圧非印加時の透過率の10%程度まで暗くなる時間である。また、第2〜第4比較例においては、透過率が最大となるように電圧を印加して、透過率が最大透過率の90%に達するまでの時間である。
「応答速度(オフ)」の項目は、第2〜第4実施例においては、上記電圧印加操作の後、電圧の印加を停止して透過率が初期の透過率に戻るまでの時間である。また、第2〜第4比較例においては、透過率が最大になるように電圧を印加した後、電圧の印加を停止して透過率が最大値の10%になるまでの時間である。
各々の比較において、実施例においては、比較例に比べると70%以上高速化されたことが確認できた。
よって、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲で定義される本発明の基本概念を用いた当業者の様々な変形や改良形態も本発明に含まれる。
3 ポリマーブラシ層
4 共存部
7 幾何学的凹凸構造
10 液晶ディスプレイ
11 液晶パネル(液晶表示素子)
11f 表面
11r 裏面
12 バックライトユニット
13A 基板(第二の基板)
13B 基板(第一の基板)
14A 偏光板(第二の偏光板)
14B 偏光板(第一の偏光板)
15 駆動電極層
16 強アンカリング配向膜(第二の配向膜)
17 弱アンカリング配向膜(第一の配向膜)
18 液晶層
20 電極線
20a 第一傾斜部
20b 第二傾斜部
21 電極線
E 電場
L 液晶分子
Claims (14)
- 光を発する光源と、
第一の配向膜が形成された第一の基板と、
前記第一の配向膜との間に間隔を空けて対向配置される第二の配向膜が形成された第二の基板と、
前記第一の配向膜と前記第二の配向膜との間に配置され、液晶分子が駆動されることによって前記光を透過又は遮断する液晶層と、
前記第一の基板および前記第二の基板のいずれか一方に設けられ、前記液晶分子に前記第一の基板および前記第二の基板に沿った方向の電場を印加する駆動電極層と、を備え、
前記液晶層は、
前記電場を印加した状態で、前記第二の配向膜側では、前記液晶分子が予め設定された初期配向方向に配向された状態を維持し、前記第一の配向膜側では、前記液晶分子の配向方向が、前記第二の基板の表面に平行な面内で、初期配向方向から前記電場に応じた方向に変化するとともに、
前記液晶層に、前記液晶分子を前記電場が非印加の状態における初期配向方向に復元させるカイラル剤が添加され、
前記第二の配向膜は、前記液晶層と前記駆動電極層との間に配置され、
前記第二の配向膜の初期配向方向は、前記第二の基板の表面に平行であり、
前記第一の配向膜の初期配向方向は、前記第一の基板の表面に平行であり、前記第二の配向膜の初期配向方向と直交し、
前記第一の配向膜は、前記電場を印加したときの前記液晶分子の配向方向を前記初期配向方向に拘束する拘束力が、前記第二の配向膜よりも小さく、
前記第一の配向膜は、式(1)で表されるポリマーブラシを含み、
XはH又はCH 3 であり、mは正の整数であり、前記ポリマーブラシのガラス転移温度が−5℃以下であり、
前記第一の基板と前記第一の配向膜との間の固定化膜を更に含み、
前記固定化膜は、式(2)で表されるアルコキシシラン化合物を含み、
R 1 はC1〜C3のアルキル基から選ばれ、R 2 はメチル基及びエチル基から選ばれ、Xはハロゲン原子であり、nは3〜10の整数である、液晶表示素子。
- 前記液晶層は、前記電場が非印加の状態で、前記第二の配向膜側から前記第一の配向膜側に向かって前記液晶分子が螺旋状に配列されている、請求項1に記載の液晶表示素子。
- 前記カイラル剤は、前記電場が非印加の状態で、前記第二の配向膜側における前記液晶分子の初期配向方向に対し、前記第一の配向膜側における前記液晶分子の初期配向方向が90°捻れるように添加されている、請求項1または2に記載の液晶表示素子。
- 前記第一の配向膜において前記液晶分子の配向方向を前記初期配向方向に拘束するための配向処理方向と、前記第二の配向膜において前記液晶分子の配向方向を拘束するための配向処理方向とが、互いに直交している、請求項1から3のいずれか一項に記載の液晶表示素子。
- 電場を非印加の状態における前記第一の配向膜近傍の前記液晶分子の配向方向が、前記カイラル剤の捩れ力によって、決定される請求項1から3のいずれか一項に記載の液晶表示素子。
- 前記第一の基板側に設けられた第一の偏光板と、
前記第二の基板側に設けられた第二の偏光板と、をさらに備え、
前記第一の偏光板の透過軸方向と前記第二の偏光板の透過軸方向とが互いに平行とされ、前記第一の偏光板の透過軸方向が、前記第二の配向膜における前記初期配向方向と平行又は直交している請求項1から5のいずれか一項に記載の液晶表示素子。 - 前記第一の基板側に設けられた第一の偏光板と、
前記第二の基板側に設けられた第二の偏光板と、をさらに備え、
前記第一の偏光板の透過軸方向と前記第二の偏光板の透過軸方向とが互いに直交し、前記第一の偏光板の透過軸方向が、前記第二の配向膜における前記初期配向方向と平行又は直交している請求項1から5のいずれか一項に記載の液晶表示素子。 - 前記電場を印加した状態で、前記第二の配向膜側から前記第一の配向膜側に向けて、前記液晶層の前記初期配向方向に配向された状態に対する前記液晶分子の配向方向の変位角度が漸次大きくなる、請求項1から7のいずれか一項に記載の液晶表示素子。
- 前記第一の配向膜側に位置する前記液晶分子と、前記第二の配向膜側に位置する前記液晶分子とで、所定電圧を印加することによって生成される前記電場による前記液晶分子の前記初期配向方向に配向された状態に対する配向方向の変位角度の差が、0°以上90°以下である、請求項8に記載の液晶表示素子。
- 前記第一の配向膜として、前記第一の基板にポリマーブラシが形成されている、請求項1から9のいずれか一項に記載の液晶表示素子。
- 前記駆動電極層が、前記第一の基板または前記第二の基板面に配置された複数の電極線からなり、
前記電場の非印加時において、前記第二の基板側における前記液晶分子の配向方向が、前記電極線が連続する方向に平行または直交している、請求項1から10のいずれか一項に記載の液晶表示素子。 - 前記駆動電極層が、前記第一の基板または前記第二の基板面に配置された複数の電極線からなり、
前記電場の非印加時において、前記第二の基板側における前記液晶分子の配向方向が、前記電極線が連続する方向に対して傾斜している、請求項1から10のいずれか一項に記載の液晶表示素子。 - 前記液晶分子の誘電率異方性が負である、請求項1から12のいずれか一項に記載の液晶表示素子。
- 前記液晶分子の誘電率異方性が正である、請求項1から12のいずれか一項に記載の液晶表示素子。
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