JPH05297402A

JPH05297402A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPH05297402A
Application number: JP10490492A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Ito; 信行伊藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1992-04-23
Filing date: 1992-04-23
Publication date: 1993-11-12

Abstract

(57)【要約】【目的】残像のない表示品位のすぐれた装置作製。【構成】一対の基板が対向して配置され、少なくとも
表面に電極が形成され、その上に配向制御層が形成さ
れ、前記配向制御層が一軸配向処理を施され、その処理
の方向が対向基板において、略平行または略反平行であ
り、これらの基板間にネマテイック相を示す誘電異方性
が正の液晶が介在され、前記電極に選択的に電圧が印加
されることによって液晶の光軸を切り替える駆動手段
と、光軸の切り替えを光学的に識別する手段を有する液
晶セルにおいて、前記液晶のセルを、２層に重ねた配置
とし、第１層の液晶セルにより生じる偏光状態を、第２
層の液晶セルで補償する構造とすることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示装置に関す
る。さらに詳しくは、ネマティック液晶を用いた表示装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】典型的なネマティック液晶を用いた液晶
表示装置としては、ツイステッドネマティック型(Twist
ed Nematic,TN と略) 液晶表示装置、スーパーツイステ
ッド型(Supertwisted Birefringence Effect,SBEと略)
液晶表示装置、電界制御複屈折型(Electrically Contro
lled Birefrengence,ECBと略) 液晶表示装置がある。こ
れらの表示モードはいずれも、液晶セルに電界を印加し
た時、液晶の誘電異方性により、液晶分子配列が変化
し、その結果、セル中の複屈折が変化することを利用す
るものである。これらの液晶セルを２枚の偏光板の間に
置くと、この複屈折の変化が光透過率の変化として現
れ、この効果により表示を行うことができる。ＴＮ型及
びＳＢＥ型液晶は誘電異方性が正のＮｐ型ネマティック
液晶を用いるものであるが、ＥＣＢ型液晶は誘電異方性
が負のＮｎ型ネマティック液晶を液晶分子の長軸を基板
に対して垂直に配向させホメオトロピック配向としたセ
ルを用いるＤＡＰ型、Ｎｐ型ネマティック液晶を分子長
軸を基板に平行に配向させたセルを用いるホモジニアス
型及び、液晶分子の配向が一方の基板面で垂直で、他方
で平行であり、両基板間で分子配列が連続的に変化して
いるハイブリッド配列セルを用いるＨＡＮ型がある。Ｈ
ＡＮ型はＮｎ型、Ｎｐ型のどちらでも用いることができ
る。

【０００３】ＴＮ型及びＳＢＥ型液晶の動作効果を完全
に解析的に説明する事は非常に困難であるが、ＥＣＢ型
液晶、特にホモジニアス型とＤＡＰ型については解析的
に説明することができる。光の進行方向に対して一様な
屈折率異方性△ｎを持つ厚さｄのセルを図１のように２
枚の偏光板とがなす角をそれぞれψ、χとなるように配
置する。光がセル中を通過する間に生じる異常光と正常
光のリタデーションＲならびに、位相差δはそれぞれ、
光の波長をλとすると、Ｒ＝△ｎ・ｄ（１） δ＝２πＲ／λ＝２π△ｎ・ｄ／λ （２）で表される。セルに垂直に入射する光の透過光強度はＪ＝Ａ²｛ＣＯＳ²（ψ−χ）−ｓｉｎ２χｓｉｎ²（δ／２）｝（３）で表されれる。２枚の偏光板が互いに直交しており（χ
−ψ＝π／２）、かつψ＝π／４であるとき、透過光強
度Ｊ⊥はＪ⊥＝Ａ²ｓｉｎ²（δ／２）＝Ａ²ｓｉｎ²（π△ｎｄ／λ）（４）と表される。セルの屈折率異方性△ｎは液晶分子の屈折
率を長軸方向ｎ‖、それと垂直方向ｎ⊥とすると、で決定される。但しθは液晶分子の長軸が基板となす角
度である。これらの関係より、ホモジニアス型及び、Ｄ
ＡＰ型の電界印加による透過光強度の変化を記述する事
ができる。

【０００４】これらのネマティック液晶を用いた表示装
置は、一般に多く用いられる液晶材料を用いて、ラビン
グ法や斜方蒸着法などの通常の配向処理法により簡単な
セル構成により実現できることから、広く利用されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
ネマティック液晶を用いた液晶表示装置は液晶分子の誘
電異方性に基づく運動を利用しているため、初期配向状
態に電界を印加して光学状態を変化させる、いわゆる光
学的立ち上がり特性の急峻性、しきい値の低電圧化等が
問題とされている。実際、これらの特性は駆動マージン
の拡大、消費電力の低減等に大きく係わるので重要であ
る。しかしながら、表示装置の性能を決定する上ではそ
の立ち下がり特性も重要である。特に、立ち下がり時間
があまり長いと、電界を除去した後も表示絵素の像が速
やかに消去されず、残像となってしまう。

【０００６】この問題を解決するために、その誘電率異
方性がある周波数により正から負に逆転する液晶を用
い、立ち下がり時に、ある周波数より高い高周波電界を
印加して立ち下がり特性を改善する二周波駆動方式が考
えられている(K.Saitoh,H.Aoki, K. Fujimuro,and A.Ma
watare:Digest SID'86, 17(1986)262.) 。しかし、二周
波駆動方式では高周波を用いて駆動するために、消費電
力が大きく、また周波数特性が温度によって大きく変化
するため、温度制御が難しいなどの欠点を持っており、
現在のところでは一部の用途を除いてほとんど実用化さ
れていない（日本学術振興協会第１４２委員会編「液晶
デバイスハンドブック」、ｐ４１０日刊工業新聞社
（１９８９）．）。

【０００７】また、立ち上がり特性と立ち下がり特性に
差が無いという意味で、強誘電性液晶を用いた液晶表示
装置が挙げられる（特開昭５６−１０７２１６号公報；
米国特許請求の範囲第４３６７９２４号）。この液晶表
示装置は自発分極の電界応答を利用するために、従来の
ネマティック液晶に比較して約１０００倍以上の高速応
答性を持ち、またメモリー効果も合わせ持っているため
高精細、大表示容量の液晶表示装置として期待されてい
る。しかしながらこの素子は一様に液晶を配向させる事
が難しい、理想とする特性が得にくい等の様々な問題点
により現在まだ本格的な実用化には至っていない。ま
た、この素子は基本的に２値表示であるため、画素分
割、周波数分割等の方法をもちいなければ階調表示が難
しく、無限階調については非常に困難であるという問題
点を持っている。

【０００８】本発明では、この様な状況のもとで、一般
に広く利用されているネマティック液晶を用いて、立ち
下がり特性の改善された表示品位の優れた液晶表示装置
を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かくして、本発明によれ
ば、少なくとも表面に電極が選択的に形成され、その上
に配向制御層が形成された一対の基板が対向して配置さ
れ、これらの基板間にネマテイック相を示す誘電異方性
が正の液晶が介在され、前記電極に選択的に電圧を印加
されることによって液晶の光軸を切り替える駆動手段
と、光軸の切り替えを光学的に識別する手段を有する液
晶セルにおいて、前記配向制御層が一軸配向処理を施さ
れ、その処理の方向が対向基板において、略平行または
略反平行であり、または、前記配向制御層のうち１つが
一軸配向処理を施され、他方が処理を施されず、前記液
晶のセルを、２層に重ねた配置とし、第１層の液晶セル
により生じる偏光状態を、第２層の液晶セルで補償する
構造とすることを特徴とする液晶表示装置を提供する。

【００１０】さらに、第１層の液晶セルおよび／または
第２層の液晶セルを駆動することにより、光学変化の立
ち上がり特性と立ち下がり特性の間に遅れを生じること
なく表示を行う液晶表示装置を提供する。図２に本発明
の液晶表示装置９の構造を説明するための断面図を示
す。１は基板、２は透明電極、３は配向制御層、４は誘
電異方性が正のＮｐ型ネマティック液晶であり、これら
が図に示すように２層構造となっている。６は偏光板で
ある。偏光板の配置はクロスニコルとする。

【００１１】更に７は第１層の液晶セル、８は第２層の
液晶セルであり、その構成は次のようになっている。基
板としては透光性の基板が用いられ、通常ガラス基板が
使われる。基板にはそれぞれＩｎ０_3,ＳｎＯ_2,ＩＴＯ
（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）などの導電性薄
膜からなる所定の透明電極が形成される。

【００１２】その上に通常、絶縁性膜が形成されるが、
これは場合によっては省略できる。絶縁性膜は例えば、
ＳｉＯ_2,ＳｉＮｘ，Ａｌ₂Ｏ₃などの無機系薄膜、ポリイ
ミド、フォトレジスト樹脂、高分子液晶などの有機系薄
膜などを用いることができる。絶縁性膜が無機系薄膜の
場合には蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ（Chemical Vapor
Deposition)法、あるいは溶液塗布法などによって形成
出来る。また、絶縁性膜が有機系薄膜の場合には有機物
質を溶かした溶液またはその前駆体溶液を用いて、スピ
ンナー塗布法、浸せき塗布法、スクリーン印刷法、ロー
ル塗布法、などで塗布し、所定の硬化条件（加熱、光照
射など）で硬化させ形成する方法、あるいは蒸着法、ス
パッタ法、ＣＶＤ法などで形成したり、ＬＢ（Langumui
r-Blodgett）法などで形成することもできる。

【００１３】絶縁性膜の上には配向制御層が形成され
る。ただし、絶縁性膜が省略された場合には透明電極の
上に直接配向制御層が形成される。配向制御層には無機
系の層を用いる場合と有機系の層を用いる場合とがあ
る。無機系の配向制御層を用いる場合、よく用いられる
方法としては酸化ケイ素の斜め蒸着がある。また、回転
蒸着などの方法も用いることもできる。有機系の配向制
御層を用いる場合、ナイロン、ポリビニルアルコール、
ポリイミド，ポリ尿素等を用いることができ、通常この
上をラビングする。また、高分子液晶、ＬＢ膜を用いて
配向させたり、磁場による配向、スペーサエッジ法によ
る配向なども可能である。また、ＳｉＯ_2,ＳｉＮｘなど
を蒸着法、その上をラビングする方法も可能である。

【００１４】配向制御層には一軸配向処理を施す必要が
ある。一対の基板の両方に一軸配向処理を施す場合に
は、その一軸配向処理の方向が平行、または反平行とな
るとように一対の基板を貼り合わせる。平行のときの分
子配列状態を図７（ａ）に、反平行のときの分子配列状
態を図７（ｂ）に示す。また、一対の基板の一方にのみ
一軸配向処理を施したときの分子配列状態を図７（ｃ）
に示す。これらいずれの場合にはホモジニアス配向が得
られる。

【００１５】紫外線硬化樹脂で周囲をシールし貼り合わ
せ、液晶材料が前記配向膜間に注入された後、封止され
る。本発明に適用されるｐ型（誘電異方性が正）のネマ
テイック液晶は公知の液晶であるビフェニル系、ＰＣＨ
系、ＣＣＨ系などが挙げられ、好適には市販のＺＬＩ−
１５６５（メルク社製）、ＺＬＩ−２７８８（メルク社
製）などが利用される。液晶はホモジニアス配向させ
る。

【００１６】かくして、図２における第１層の液晶セル
７および第２層の液晶セル８が作製される。これら液晶
セルの最外部に偏光板が配置されて液晶表示装置となっ
ている。偏光板は偏光ガラス、偏光プラスチックフィル
ムなどが用いられ、クロスニコルとなるように配置され
ている。

【００１７】次に２層に重ねた配置としたときに、第１
層の液晶セルにより生じる偏光状態を第２層の液晶セル
により補償する方法を説明する。第１層の液晶セルを透
過した入射光は液晶層により偏光され、これを第２層の
液晶セルを通過させることにより、打ち消して直線偏光
とする。これを図により説明する。

【００１８】発明においては、図３に示すように、入射
側偏光板の偏光軸と第１液晶層の液晶分子長軸とのなす
角度をφ₁とし、入射側偏光板の偏光軸と第２液晶層の
液晶分子長軸とのなす角度をφ₂とする。ここで楕円は
液晶分子を模式的に示すものである。入射側偏光板と第
１液晶層とにより生じる偏光状態を第２液晶層により打
ち消して、直線偏光とし、出射側偏光板によりカットす
るようにをφ₁、φ₂を配置すれば初期状態において完
全な暗視野が得られる（図４（ａ））。

【００１９】次に図４（ｂ）のように第２液晶層のみに
電界を印加し液晶分子を基板に垂直配向とすると、第２
液晶層は光の進行方向に対して等方性となるので、光は
第１液晶層を通過した偏光状態を保ったまま出射側偏光
板に達し、その結果明視野を得ることができる。この場
合、印加する電圧をしきい値電圧以上、飽和電圧以下に
制御することにより、第２層液晶の分子配向を初期のホ
モジニアス配向と垂直配向の中間状態とする事ができ、
この事により無限階調表示が可能である。

【００２０】次に図５（ａ）のように第２液晶層を垂直
配向としたまま第１液晶層にも電界を印加し液晶分子を
基板に垂直配向とすると、入射光は何ら変調を受けるこ
となく通過し、暗視野となる。この場合も図４（ｂ）の
説明と同様の方法により無限階調表示が可能である。図
４（ｂ）の状態において階調表示が行われていれば、第
１層液晶を駆動するのと同時に第２層液晶を完全な垂直
配向にすればよい。

【００２１】さらに、この状態で両液晶層の電界を除去
しても、（図５（ｂ））同じ弾性的特性、屈折率異方性
を持つ液晶であれば、第１液晶層の液晶と第２液晶層の
液晶は同じ時間経過をたどって変形し、常に偏光状態を
補償するので図４（ａ）の初期状態とおなじように常に
暗視野となる。なお、この図５（ｂ）でθ₁（ｔ）、θ
₂（ｔ）、φ₁（ｔ）、φ₂（ｔ）、は任意時間ｔにお
いて第１液晶層および第２液晶層の液晶分子が基板とな
す角度、および入射側偏光板の偏光軸となす角である。
この場合も図５（ａ）の状態において階調表示が行われ
ていれば、第１液晶層と第２液晶層の偏光状態の補償関
係が保たれるまで、つまり、第１液晶層が完全に初期配
向に戻ってしまうまで階調が保たれる。一般にネマティ
ック液晶の立ち下がり特性は非常に遅いので、実用的に
は十分である（図５（ｂ））。任意時間におけるこの状
態から、さらに書き込みを行うには、第１液晶層の配向
が完全に初期状態に戻っていれば、図４（ｂ）の説明と
同様に駆動する事ができる（図６）。第１液晶層の配向
が完全に初期状態に戻っていなければ、液晶の立ち下が
り特性の立ち上がり特性に対する遅さを利用し、第１液
晶層の立ち下がり特性にタイミングを合わせて初期配向
状態に戻るまで、図４（ｂ）と同様の補償効果及び階調
効果が得られるよう、第１液晶層が初期配向状態に戻る
まで、第２液晶層を立ち上げていく（図６）。

【００２２】以上のサイクルを繰り返す事により立ち上
がり特性と立ち下がり特性に差の無いシャープな表示を
行うことができる。なお、第１液晶層と第２液晶層の駆
動を逆にしても、光学的にはまったく同じ効果が得られ
る。液晶分子長軸と偏光子のなす角φ₁、φ₂は第１液
晶層と第２液晶層の光学的補償関係により決定される
が、特にφ₁、φ₂＝π／４のときが明状態の透過光が
最大になり好ましい。

【００２３】

【実施例】以下図に示す実施例に基づいてこの発明を詳
述する。なお、これによってこの発明は限定されない。

【００２４】実施例１図２に示す液晶表示装置を作製した。一対の基板１にス
パッタにより２０００ÅのＩＴＯ膜２を形成し、厚さ３
００ÅのＰＶＡ膜３を塗布し、レーヨン系の布を用いて
ラビングにより一軸配向処理を行った。ついで、これら
２枚の基板を５μｍの間隔を隔ててシリカスペーサを介
してエポキシ樹脂製のシール部材５で貼り合わせた。こ
れらの基板間に、真空注入法により市販のネマティック
液晶４〔Ｅ−７（メルク社製）〕を注入した後アクリル
系のＵＶ硬化型の樹脂で注入口を硬化して液晶セル７を
作製した。セル７と同じ様にして作製したセル８をＩＴ
Ｏ電極部が重なり、一軸配向処理の方向が互いに９０°
の角度をなす様に位置を合わせて貼り合わせ、更に、こ
の２層セルの上下に偏光軸を直交させた偏光板６を配置
した。偏光板の一方の偏光軸とセルの液晶光軸のなす角
度を４５°になるように配置して本発明の液晶表示装置
９とした。

【００２５】この液晶表示装置９を前に記載した方法に
より駆動した結果、図９に示す立ち上がり、立ち下がり
特性を示し、残像の無いシャープな表示が得られた。

【００２６】実施例２図８に示す液晶表示装置１０を作製した。全体の構造は
実施例１の液晶表示装置９と同様であるが、基板は３枚
とし、第１液晶層と第２液晶層を隔てる基板について
は、ＩＴＯ膜３を両面に形成した。この液晶表示装置１
０を前に記載した方法により駆動した結果、図９に示す
立ち上がり、立ち下がりに差のない特性を示し、残像の
無いシャープな表示が得られた。さらに、第１液晶層と
第２液晶層を隔てる基板を１枚とし透明電極を形成した
ことにより、位置ずれ、視角特性が改善され、より表示
品位が優れたものとすることができた。

【００２７】比較例比較例として、従来構造のＥＣＢ液晶表示装置を実施例
と同じ配向膜、配向処理、液晶材料、セル厚で作製し、
その立ち上がり、立ち下がり特性を測定したところ、図
１０のような結果となり、立ち下がり時間の遅れが大き
く目立って。この結果、残像の目立つ表示しか得られな
かった。

【００２８】図９、図１０における応答速度は、Ｅ−７
を用いたところ、３０Ｖ印加時に透過光量の１０％−９
０％変化で速い方が２５msec、遅い方が３１０msecであ
った。

【００２９】実施例３図１１に示す液晶表示装置１１を作製した。全体の構造
は実施例１と同様であるが、各透明電極は複数本のライ
ンがフォトリソグラフィーによりストライプ状にパター
ニングしてあり、各液晶層でドットマトリスクを構成し
ている。この液晶表示装置１１を前に記載した方法によ
り駆動した結果、残像の無いシャープな画像を表示する
ことができた。

【００３０】実施例４図１２に示す液晶表示装置１２を作製した。全体の構造
は実施例３と同様であるが、基板は３枚とし、第１液晶
層と第２液晶層を隔てる基板については、ＩＴＯ電極２
を両面に形成した。この液晶表示装置１２を前に記載し
た方法により駆動した結果、残像の無いシャープな画像
を表示することができた。さらに、第１層液晶と第２層
液晶を隔てる基板を１枚としたことにより、位置ずれ、
視角特性が改善され、より表示品位が優れたものとする
ことができた。

【００３１】実施例５図１３に示す液晶表示装置１３を作製した。全体の構造
は実施例４と同様であるが、第１液晶層と第２液晶層を
隔てる基板については、両面同一パターンのＩＴＯ電極
２を形成した。この液晶表示装置１３を前に記載した方
法により駆動した結果、残像の無いシャープな画像を表
示することができた。さらに、第１層液晶と第２層液晶
を隔てる基板を１枚としたことにより、位置ずれ、視角
特性が改善され、より表示品位が優れたものとすること
ができた。また、この構成は両面に透明電極パターンを
形成する際に、両面同一形状であるため、一度のフォト
リソグラフィーにて形成できる利点がある。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、一般に広く用いられて
いるネマティック液晶を用いて、立ち上がり、立ち下が
り特性に差が少ない液晶表示装置を実現することがで
き、残像のない表示品位の優れた表示を達成することが
できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】電界制御複屈折型液晶表示の原理を説明する
図。

【図２】本発明の実施例の液晶表示装置の断面図。

【図３】本発明の液晶表示装置の光学的硬化を説明する
模式図。

【図４】（ａ），（ｂ）は本発明の液晶表示装置の駆動
方法を説明する図。

【図５】（ａ），（ｂ）は本発明の別の液晶表示装置の
駆動方法を説明する図。

【図６】本発明の別の液晶表示装置の駆動方法を説明す
る図。

【図７】（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の液晶表示装
置における液晶分子配列を説明する図。

【図８】本発明の他の実施例の液晶表示装置の断面図。

【図９】本発明の実施例の液晶表示装置の立ち上がり、
立ち下がり特性を示す図。

【図１０】従来例（比較例）の液晶表示装置の立ち上が
り、立ち下がり特性を示す図。

【図１１】本発明の他の実施例の液晶表示装置の断面
図。

【図１２】本発明の他の実施例の液晶表示装置の断面
図。

【図１３】本発明の他の実施例の液晶表示装置の断面
図。

【符号の説明】

１ガラス基板２透明電極３配向膜４ネマティック液晶５シール部材６偏光板７，８，９，１０，１１，１２，１３，液晶セル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の基板が対向して配置され、少なく
とも表面に電極が形成され、その上に配向制御層が形成
され、前記配向制御層が一軸配向処理を施され、その処
理の方向が対向基板において、略平行または略反平行で
あり、これらの基板間にネマテイック相を示す誘電異方
性が正の液晶が介在され、前記電極に選択的に電圧が印
加されることによって液晶の光軸を切り替える駆動手段
と、光軸の切り替えを光学的に識別する手段を有する液
晶セルにおいて、前記液晶のセルを、２層に重ねた配置とし、第１層の液
晶セルにより生じる偏光状態を、第２層の液晶セルで補
償する構造とすることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】一対の基板が対向して配置され、少なく
とも表面に電極が形成され、その上に配向制御層が形成
され、前記配向制御層のうち一方が一軸配向処理を施さ
れ、他方が処理を施されず、これらの基板間にネマテイ
ック相を示す誘電異方性が正の液晶が介在され、前記電
極に選択的に電圧が印加されることによって液晶の光軸
を切り替える駆動手段と、光軸の切り替えを光学的に識
別する手段を有する液晶セルにおいて、前記液晶のセルを、２層に重ねた配置とし、第１層の液
晶セルにより生じる偏光状態を、第２層の液晶セルで補
償する構造とすることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項３】第１層の液晶セルおよび／または第２層
の液晶セルを駆動することにより、光学変化の立ち上が
り特性と立ち下がり特性の間に遅れを生じることなく表
示を行う請求項１または２項のいずれかの項に記載の液
晶表示装置。