JPH0534671A

JPH0534671A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH0534671A
Application number: JP3189111A
Authority: JP
Inventors: Masahito Ishikawa; 正仁石川; Junko Hirata; 純子平田; Tomiaki Yamamoto; 富章山本; Hitoshi Hado; 仁羽藤; Yuzo Hisatake; 雄三久武
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-07-30
Filing date: 1991-07-30
Publication date: 1993-02-12

Abstract

(57)【要約】【構成】２枚の偏光板１、４間に２個の液晶層２、３
と光学異方性物質層５とが配置された液晶表示素子であ
る。２個の液晶層はねじれ角が互いにほぼ等しくそのね
じれ方向が互いに逆で、螺旋軸が表示面法線とほぼ平行
にねじれ配列し、前記光学異方性物質層は層の厚さ方向
に負の光学異方性を有することを特徴とする。【効果】液晶表示素子の視角特性が改善され、視認性
にすぐれる高品位表示の液晶表示素子を提供することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示素子に係わ
り、特にコントラスト比及び表示色の視角依存性を改善
した液晶表示素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄型軽量、低消費電力という大き
な利点をもつ液晶表示素子は、腕時計から、日本語ワー
ドプロセッサやデスクトップパーソナルコンピュータ等
のパーソナルＯＡ機器の表示装置などまで積極的に用い
られている。これら液晶表示素子（以下ＬＣＤと略称）
のほとんどはねじれネマティック液晶が用いられてお
り、スイッチング素子を各画素ごとに具備しカラーフィ
ルターと組み合わせたフルカラーの表示の液晶テレビな
どにも広く応用されている。

【０００３】一般にこれらねじれネマティック液晶を用
いた液晶表示素子に用いられる偏光板の配置には大きく
分けて２通りあり、液晶セルに電圧を印加しないとき光
が透過せず、電圧を印加したとき光の透過状態が得られ
る（ノーマリークローズ）方式と、液晶セルに電圧を印
加しないとき光が透過し、電圧を印加したとき光が遮断
される（ノーマリーオープン）方式とがある。

【０００４】図３は、従来例のＴＮ方式のノーマリーオ
ープンとノーマリークローズの表示面法線から左右の方
向に０゜から６０゜まで傾いた時のコントラスト比依存
性を示す図で、ノーマリーオープンの場合は１０．０、
ノーマリークローズの場合は１１．０で示されている。
これらを比較すると、ノーマリークローズの方がノーマ
リーオープンよりコントラスト比の視角依存性が少ない
ことが分かる。コントラスト比とは、光が透過した状態
（明状態）の輝度を光が遮断された状態（暗状態）の輝
度で割った値であり、コントラスト比は暗状態の輝度に
大きく影響する。そこでノーマリーオープンとノーマリ
ークローズの両方式の暗状態の輝度の左右方向における
視角依存性を測定してみると、図４に示した様な特性が
得られる。ノーマリーオープンの場合を１０．１でノー
マリークローズの場合を１１．１で示した。図から明ら
かなように、ノーマリークローズの方がノーマリーオー
プンより暗状態の視角依存性が小さく、その結果ノーマ
リークローズの方がノーマリーオープンよりコントラス
ト比の視角特性が良くなっている。

【０００５】ノーマリーオープンとノーマリークローズ
の暗状態の違いを考察してみると、ノーマリーオープン
の場合は光を遮断するために電圧を液晶セルに印加して
おり、分子配列状態のねじれ構造が歪んでいる。従っ
て、この歪んだ分子配列状態が視角特性に影響を与えて
いると考えられる。そこで液晶セルに暗状態が得られる
電圧値を印加した時のセル中の分子配列状態を計算して
みると、図５に示す様になる。ここで、図中の７及び８
はそれぞれチルト角及びツイスト角で、チルト角７と
は、図６に示す座標系において液晶セルの基板面をｘｙ
面としたとき、ｘｙ面に対する液晶分子５．１Ｌの長軸
の傾き角を示し、ツイスト角８とは、液晶分子５．１を
ｚ軸からｘｙ面へ投射した軸５．１ｘｙとｘ軸とのなす
角度である。電圧が印加された状態では、液晶セルの中
央付近では液晶分子が９０゜近く傾くが、上下の基板表
面付近では、基板表面の配向規制力の影響を受けて液晶
分子はあまり傾かない。また、ツイスト角はＳの字型の
分布となる。液晶分子のチルト角がセル厚方向にたいし
て一定で、ツイスト角が線形にねじれている場合、すな
わちノーマリークローズの場合の様な電圧無印加時の分
子配列状態と比較すると、電圧印加時の分子配列状態
は、液晶セルを見る角度と方位により異なって見え、そ
の結果液晶分子配列状態の見え方の違いが液晶セル中を
伝搬する偏光状態の違いとなって視角特性に反映され
る。従ってノーマリークローズの方が視角特性が良いの
は、見る方向角度による暗状態の分子配列状態の見え方
の違いがノーマリーオープンより小さいためである。

【０００６】以上述べたように液晶表示素子は、コント
ラスト比の視角特性のみを考慮した場合ノーマリークロ
ーズが良く、更に、カラーフィルターと組み合わせてフ
ルカラー表示を行うことを考慮すると、表示色が白黒で
かつその色相が視角を変化しても変化しないことが望ま
れる。

【０００７】ねじれネマティック液晶を用いた液晶表示
素子の表示色は、ノーマリークローズとした場合、旋光
性の波長分散及び複屈折の波長分散があるため着色する
という問題点がある。このような表示の着色を解消する
手段として、逆にねじれた第２の液晶セルを偏光板と液
晶セルの間に配置することによって白黒表示を実現でき
ることが特公昭６３−５３５２８号公報にて報告されて
いる。この白黒化の原理は、液晶分子がねじれ配列とさ
れる表示用液晶セルで楕円偏光となった常光成分と異常
光成分の光を、光学補償板である第２の液晶セルによっ
て相互に入れ替わらせ、楕円偏光を直線偏光へと変換さ
れる。その結果、光の干渉に起因する着色が解消され、
白黒表示を実現することができる。ここで上述したよう
に楕円偏光の直線偏光への変換を行うには、光学補償板
が、表示用液晶セルとリタデーション値が、ほぼ同一
で、かつねじれ方向が相互間で逆であり、それらの配置
は、相互に最近接する液晶分子の配向方位が直交するよ
うに構成する。しかしこの様なＬＣＤは、表示面法線か
らずれた斜めの角度では表示色は着色し白黒の表示は得
られない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この様な従来技術は、
液晶表示素子を見る時の方位や角度によって表示のパタ
ーンが反転して見えたり、表示のパターンが全く見えな
くなったり、あるいは表示が色づくといった現象として
観測され、特にカラーフィルターと組み合わせてフルカ
ラー表示を行う際に大きく問題となる。

【０００９】本発明は上記不都合を解決するものであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、２枚の偏光板
の間に、ねじれ角が互いにほぼ等しくそのねじれ方向が
互いに逆で、螺旋軸が表示面法線とほぼ平行にねじれ配
列した２つの液晶層と光学異方性物質層とが配置され、
前記光学異方性物質層が層の厚さ方向に負の光学異方性
を有することを特徴とする。前記光学異方性物質層は表
示面に対しほぼ水平に３６０゜以上ねじれた配列をした
液晶層や高分子液晶層でも実現でき、前記２つの液晶層
のうち少なくとも１つの液晶層が高分子液晶層であって
もよい。

【００１１】

【作用】本発明は、上記目的を達成するものであり、表
示素子の厚さ方向に負の光学異方性を有する光学異方性
物質層を前記２枚の偏光板の間に配置することにより、
表示面法線から斜めに入射し楕円偏光となった光は直線
偏光に変換され表示色の着色や透過光の減少を軽減す
る。

【００１２】光学的に負の光学異方性を示すものとして
は、厚み方向の屈折率より厚み法線方向の屈折率の方が
大きなフィルムや、コレステリック液晶セルがあげられ
る。コレステリック液晶とは液晶分子が螺旋状にねじれ
た配列をしており、一般の液晶が正の光学異方性を有す
るのに対しコレステリック液晶は螺旋状のねじれ配列に
より光学的に負の光学異方性を示す。従って、コレステ
リック液晶セルを用いると、配列のねじれ角やリタデー
ション値などが容易に制御できる為、所望な光学特性を
得ることが可能である。ここでコレステリック液晶セル
の光学的性質について説明すると、図７は、コレステリ
ック液晶セルを吸収軸を直交させた偏光板間に配置した
とき、液晶セル法線方向で観測される透過光を、コレス
テリック液晶セルのねじれ数の各回転数に対しプロット
した結果である。ねじれ数が１（すなわちねじれ角＝３
６０゜）までは大きく振動し、それ以降では概略減少し
てゆく。図７の第１、第２のピークを示すねじれ角（補
償セルのねじれ角が、９０゜及び２７０゜の時）では、
補償セルの旋光性が大きすぎコントラスト比を低下させ
る原因となり好ましくなく、第２のピーク以降を示す３
６０゜のねじれ角が望ましい。また上述のコレステリッ
ク液晶セルは、ねじれ性を持つ高分子液晶層を用いるこ
とによっても同様の機能が得られることは言うまでもな
く、この場合、例えば駆動用液晶セルの基板の少なくと
もどちらか一方に、この様な高分子液晶層を塗布するこ
とにより得られ、製造上容易となりより望まし液晶表示
素子が得られる。この場合、例えばポリシロキサン主鎖
とし、側鎖にビフェニルベンゾエートとコレステリル基
を適当な比で有した様な高分子共重合体液晶などを用い
ることなどができる。

【００１３】以上ＴＮ液晶セルを例にとって説明した
が、ＴＮ方式のみならずＳＴ方式やねじれ角が９０゜以
下の小さなねじれ角の表示方式の液晶表示素子にも同様
な効果が得られる。

【００１４】

【実施例】以下本発明の液晶表示素子の実施例を詳細に
説明する。

【００１５】（実施例１）図１に本実施例における液晶
表示素子の断面図を示す。液晶表示素子は２枚の偏光板
１、４と、これらの間に補償用液晶セル２と駆動用液晶
セル３とを挟む構成を有している。偏光板１は透明基板
１ａの内側に偏光膜１ｂを付けたものであり、偏光板４
も同様に透明基板４ａに偏光膜４ｂをつけて形成され
る。

【００１６】補償用液晶セル２はこれらの偏光板１、４
間に配置され、透明基板２ａ, ２ｂ間に液晶層２ｃを介
在させた液晶セル構造を有し、基板２ａ, ２ｂ間にねじ
れネマティック液晶がねじれ角が９０゜で導入され、液
晶の光軸は下側基板２ｂから上側基板２ａへと時計回り
にねじれている（右ねじれ）。

【００１７】駆動用液晶セル３は補償用液晶セル２と偏
光板４間に配置される。上側基板３ａと下側基板３ｂと
はそれぞれ透明電極３ｃ、３ｄを形成しており、駆動電
源３ｆに接続される。基板３ａ, ３ｂ間にねじれネマテ
ィック液晶層３ｅがねじれ角が９０゜で導入され、駆動
電源３ｆから印加電圧に応じて状態を変化する。

【００１８】駆動用液晶セル３の液晶層の光軸は下側基
板３ｂから上側基板３ａへと反時計回りにねじれている
（左ねじれ）。

【００１９】偏光板１と補償用液晶セル２間に配置され
る光学異方性物質層５は、層の厚さ方向に負の光学異方
性を有するもので、厚み方向の屈折率ｎｚは１．４５
９、厚み方向と垂直の方向の屈折率ｎｘｙは１．５１５
でありｎｚ＜ｎｘｙの関係を持つ。

【００２０】図２は本実施例における液晶表示素子の構
成を示す分解斜視図である。(1.1)及び(4.1) は偏光板
１及び４の吸収軸であり、これらは互いに直交し(1.1)
はｘ軸とｚ方向から見て左回りに１３５゜で配置され
る。(3.1) と(3.2) は駆動用液晶セル３の上側と下側の
基板のラビング軸で、これらは互いに直交し、図中のｘ
軸とラビング軸(3.2) とのなす角は４５゜で配置され
る。

【００２１】補償用液晶セル２の(2.1) 、(2.2) はそれ
ぞれ上側と下側の基板２ａ, ２ｂのラビング軸で、これ
らは互いに直交し、補償用液晶セル２はラビング軸(2.
1) が、(3.1) と平行となるように配置され、偏光板１
の吸収軸(1.1) とも平行である。

【００２２】本構成の液晶表示素子のコントラストの視
角特性を測定した結果を図８及び図９に示す。図８の
(8.1) は測定点をｚ軸から図２中の＋ｙ及び−ｙの方向
に傾けて測定したときのコントラスト値（駆動電源３ｆ
から液晶セル電極間に５Ｖ印加し明状態が得られたとき
の輝度を、駆動電源３ｆから液晶セル電極間に１Ｖ印加
し暗状態が得られた時の輝度で割った値）を示したもの
で、図９の(9.1) は図８と同様な＋ｘ及び−ｘ方向にお
けるコントラスト−視角特性を示すものである（従来例
の特性は下記の比較例によるもので(8.2),(9.2) で図
示）。従来例と比較すると従来よりも良好なコントラス
ト特性が得られ、また、従来では暗状態の表示色が視角
を変化すると着色していたのに対し良好な黒色が得られ
た。

【００２３】（比較例）実施例１において、光学異方素
子５の無い場合のコントラスト−視角特性を測定した。
測定結果例を図８に(8.2) 及び図９に(9.2) で示す。本
従来例では高いコントラストを示す視角が小さく、また
測定点を傾けると表示色が色づく現象が見られた。

【００２４】（実施例２）実施例１における光学異方素
子５として、コレステリックピッチが０．７μｍの補償
用液晶セル５を用いた。補償用液晶セル５の配置を図１
０に示す。(5.1)及び(5.2) はコレステリック液晶セル
のラビング軸でこれらは直交し、(5.1) は偏光板１の吸
収軸(1.1) と平行である。実施例１と同様にコントラス
トー視角特性を測定したところ本構成でも視角特性を改
善することができ、従来例と比較すると視角範囲も拡大
した。

【００２５】（実施例３）実施例２における構成で、補
償用液晶セル５として高分子液晶を用いた。この場合、
３０゜コーンで、コントラスト比２０：１以上を得るこ
とができ視野角が拡大した。

【００２６】（実施例４）実施例２における補償用液晶
セル２と補償用液晶セル５に高分子液晶を用い実施例２
と同様に配置した。３０゜コーンで、コントラスト比２
２：１以上を得ることができ視野角が拡大した。

【００２７】（実施例５）実施例２において、駆動用液
晶セル３は液晶層に電圧を印加する透明電極が具備され
た左ねじれで、ねじれ角が２４０゜のＳＴ形の液晶セル
を用いた。図１１に本発明のセル構成を示す。セル３は
ラビング軸(3.1) が、ｚ軸より見て半時計回りに＋１２
０゜になるように配置され、リタデーション値は８４５
ｎｍである。補償用液晶セル２は、セル３のラビング軸
(3.1) とラビング軸(2.2) とが垂直になるように配置さ
れ、ねじれ方向が駆動用液晶セル３と逆で同一リタデー
ション値をもつ。視角補償用液晶セル５は、ラビング軸
(5.2) がｘ軸に対し反時計回りに４５゜になるように配
置されている。視角補償用液晶セル５は、コレステリッ
クピッチが０．８μｍのコレステリック液晶が導入さ
れ、ラビング軸(5.1) は(5.2) と垂直である。

【００２８】本構成で６４０×４００ドットのスーパー
ツイスト型ＬＣＤを作成し、１／２００dutyでフレーム
間引き方式により１６階調表示したところ、視点を変化
させても１６階調間の識別ができる高コントラストなＬ
ＣＤが実現できた。視角特性を測定したところ、６０゜
コーンでコントラスト比１０：１以上が得られ、入射角
が６０゜以上でも表示画の反転や表示色の変化の無い良
好な白黒表示が得られた。

【００２９】（実施例６）実施例５において、補償用液
晶セル２と補償用液晶セル５として高分子液晶を用い実
施例５と同様に配置した。６０゜コーンで、コントラス
ト比１２：１以上を得ることができ視野角が拡大した。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、液晶表示素子の視角特
性が改善され、視認性にすぐれる高品位表示の液晶表示
素子を提供することができる。また、本発明をＴＦＴや
ＭＩＭなどの３端子、２端子素子を用いたアクティブマ
トリクス液晶表示素子に応用しても優れた効果が得られ
ることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の液晶表示素子を示す断面
図。

【図２】本発明の実施例１の液晶表示素子の構成を示す
分解斜視図。

【図３】ノーマリークローズ及びノーマリーオープン方
式の液晶表示素子のコントラスト−視角特性を示す図。

【図４】ノーマリークローズ及びノーマリーオープン方
式の液晶表示素子の暗状態の輝度−視角特性を示す図。

【図５】液晶セルに電圧が印加された状態における液晶
セル厚み方向の分子配列を示す図。

【図６】図１の液晶分子のチルト角とツイスト角の座標
系を示す図。

【図７】視角補償用液晶セルのねじれの回転数を変化さ
せたときの正面方向における透過率特性を説明する図。

【図８】実施例１の効果を説明する図。

【図９】実施例１の効果を説明する図。

【図１０】本発明の実施例２の液晶表示素子の構成を示
す分解斜視図。

【図１１】本発明の実施例５の液晶表示素子の構成を示
す図。

【符号の説明】

１、４・・・偏光板２・・・補償用液晶セル３・・・駆動用液晶セル５・・・視角補償用光学異方素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者羽藤仁神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者久武雄三神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２枚の偏光板の間に２個の液晶層と光学
異方性物質層とが配置された液晶表示素子において、前
記２個の液晶層はねじれ角が互いにほぼ等しくそのねじ
れ方向が互いに逆で、螺旋軸が表示面法線とほぼ平行に
ねじれ配列し、前記光学異方性物質層は層の厚さ方向に
負の光学異方性を有することを特徴とする液晶表示素
子。
【請求項２】前記光学異方性物質層が表示面に対しほ
ぼ水平に３６０゜以上ねじれた配列をした液晶層である
ことを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項３】前記光学異方性物質層が光軸のねじれが
３６０゜以上ねじれた高分子液晶層であることを特徴と
する請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項４】前記２つの液晶層のうち少なくとも１つ
の液晶層が高分子液晶層であり、前記光学異方性物質層
が光軸のねじれが３６０゜以上ねじれた高分子液晶層で
あることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。