JPH0996790A

JPH0996790A - 液晶電気光学素子

Info

Publication number: JPH0996790A
Application number: JP25330295A
Authority: JP
Inventors: Yasuharu Tanaka; 康晴田中; Masahito Ishikawa; 正仁石川; Masumi Okamoto; ますみ岡本; Nobuko Fukuoka; 暢子福岡; Toshihiro Ninomiya; 利博二ノ宮; Takeshi Oyama; 毅大山; Norihiro Yoshida; 典弘吉田; Masahito Shoji; 雅人庄子; Hitoshi Hado; 仁羽藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 1997-04-08

Abstract

(57)【要約】【課題】ｐｉセルを用いた液晶電気光学素子の液晶分
子をすみやかにベンド配列にしその状態を安定に保つこ
とが難しいという問題を解決し、大容量で高精細な表示
に実用できる新規な高速応答の液晶電気光学素子を提案
する。【解決手段】液晶層は電圧無印加時（図１（ａ））に
は液晶分子が互いに略平行状態で配列しているので、電
圧無印加時（図１（ａ））の液晶層の配向状態から、液
晶電気光学素子が動作する第１の電圧印加時（図１
（ｂ））の液晶層の配向状態に移動する時間が高速でか
つ配列が安定な液晶電気光学素子を用いることができ
る。また、第１の電圧印加時（図１（ｂ））の液晶層の
状態はｐｉセルに於けるベンド配列と似た状態であるの
で、この状態を表示のオフ時として液晶駆動電圧を変化
させて表示した場合ｐｉセルと同等の高速な応答速度が
得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は液晶電気光学素子に
係わり、特に高速応答の液晶電気光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】高速応答が得られる液晶電気光学素子と
して、ＯＣＢモードが注目を集めている。これは、図２
（ａ）に示すように、ねじれていないスプレイ配列のネ
マティック液晶層３６に電圧を印加してベンド配列３４
として，このベンド配列を維持する印加電圧範囲内で液
晶分子のチルト状態を印加電圧値により制御し、液晶層
における位相差を電圧により制御する複屈折効果型の液
晶表示モードである。この液晶をベンド配列させた液晶
セル３５はπセル（ｐｉセル）と呼ばれており、以前よ
り高速応答であることが知られていた。（例えば、斉
藤、他：第５回液晶討論会講演予稿集，pp166-169,1979
年。あるいは、特許公開公報；特開５５−１４２３１
６。あるいは、P.Boss,et al.;SID'83 DIGEST,pp30-31,
(1983)。あるいは、特許公告公報；特公平６−５６４６
４など。）図４に示すように、ＯＣＢモードはこのｐｉセル３５に
２軸性複屈折フィルムである光学異方層３１を付加した
液晶電気光学素子３６であり、その応答速度は、ＯＣＢ
モードに関する文献によれば、数ｍｓという必要かつ十
分な値が得られることが報告されている。尚、ｐｉセル
に光学異方層を付加した液晶電気光学素子としては、こ
の他にも例えば特開昭６３−２３１３３や、特開平６−
２９４９６２、特開平７−４９５０９に記載されてい
る。

【０００３】このようにｐｉセルを利用したＯＣＢモー
ドは、応答速度の点では非常に優れている。しかしなが
ら、ｐｉセルを実用化する場合には以下のような問題点
がある。

【０００４】ｐｉセルは、スプレイ状態で配向したねじ
れのない水平配向の液晶に電圧を印加してベンド配列に
転移させた状態を表示のオフ時としている。このスプレ
イからベンドへの転移に時間がかかるという問題があ
る。発明者らによる追試実験によれば、セルギャップが
約１０μｍのＬＣＤにおいて転移のために１０Ｖの電圧
を印加した場合でも、場合によっては完全に転移が終了
するまで１時間以上かかるという場合もあった。この転
移時間を短縮するためには、転移のために印加する電圧
を大きくすればよいが、これは駆動電圧の最大値を増加
させることになり、好ましくない。特に、前記ＯＣＢモ
ードを容量の多い表示に適用しようとすると、ＯＣＢモ
ードの電気光学特性があまり急峻でないことから、アク
ティブ素子を用いた駆動が必要となり、特にその表示容
量がきわめて多い場合、ＴＦＴ素子を用いることが望ま
しくなる。この場合、液晶の駆動電圧の最大値はあまり
高くすることができず、おおよそ６Ｖ以下であることが
望ましい。従って転移時間短縮のため印加電圧を増加さ
せることは、実用上好ましくない。前述の文献の中で特
開平７−４９５０９は、その作用効果として駆動電圧を
低減しＴＦＴ−ＬＣＤへの適用を可能にしているが、転
移時間に関しては不十分である。

【０００５】転移時間を短縮する別の方法としては、液
晶のプレチルト角を大きくする方法がある。そもそもプ
レチルト角が低い場合、実用的な駆動電圧の範囲内での
電圧では、スプレイからベンドへの転移が起きないこと
が多く、ＯＣＢモードでは数度のプレチルト角に設定さ
れている。しかし、このＯＣＢモードは複屈折を利用し
たＬＣＤであるため、均一な表示を得るためには液晶セ
ルのリタデーション（実効的なΔｎｄ）を高精度に制御
する必要がある。プレチルト角の変化は前述のΔｎの実
効的な値に影響するため高精度な制御が必要となり、プ
レチルト角のムラは表示ムラとなって現れる。ところ
で、プレチルト角は高いほど高精度で制御することが困
難となる。この為、もともと数度の高プレチルト角に設
定されているものを、更に大きくすることは実用的では
ない。

【０００６】この他転移時間を短縮する方法としては、
セルギャップを大きくすること、液晶組成物の弾性定数
比をベンドになり易いように選ぶことという方法があ
る。しかし、セルギャップを大きくすることは、応答速
度が遅くなる、駆動電圧が高くなるなどの問題がある。
また、液晶組成物の弾性定数については、他の物性値と
の関係があり、選択の自由度が少ない。更に一旦スプレ
イからベンドに転移した後でも、駆動電圧を下げすぎる
とまたスプレイ状態に転移してしまう場合もある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、ＯＣ
ＢモードのＬＣＤあるいはｐｉセルを用いたＬＣＤで
は、液晶分子をすみやかにベンド配列にし、その状態を
安定に保つことが難しいというという問題がある。ま
た、ベンド配列を得るためには通常数度以上のプレチル
ト角が必要であるが、均一な高プレチルトを精度良く制
御することは難しい。本発明は、これらの問題点を解決
し、大容量で高精細な表示に実用できる新規な高速応答
ＬＣＤを提案することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶電気光学素
子は、一主面に電極が形成された２枚の基板が前記一主
面が対向するように平行配置され、２枚の基板間にネマ
ティック液晶層が挟持された液晶セルと、この液晶セル
を挟持するように配置された２枚の偏光板とを有してい
る。そして、この液晶層は、液晶層の液晶分子のうち２
枚の基板の一方の基板に接する複数の液晶分子からなる
第１の液晶層領域と、液晶層の液晶分子のうち２枚の基
板の他方の基板に接する複数の液晶分子からなる第２の
液晶層領域と、液晶層の液晶分子のうち第１の液晶層領
域と第２の液晶層領域とに挟まれた複数の液晶分子から
なる第３の液晶層領域とからなり、極への電圧無印加時
では、第３の液晶層領域の複数の液晶分子は互いに略平
行で、かつ一方の基板から他方の基板に向かって基板の
面内方向でねじれて配列し、電極への第１の電圧印加時
では、第３の液晶層領域の複数の液晶分子のうち一部の
液晶分子はその傾きが基板の法線方向と略平行に配列
し、電極への第２の電圧印加時では、前記第３の液晶層
領域の複数の液晶分子はその傾きが基板の法線方向と略
平行に配列していることを特徴とする。

【０００９】本発明の液晶層の配列状態を図１を用いて
説明する。図１は、本発明の液晶電気光学素子の液晶セ
ルの概略図であり、液晶セル２１は２枚の基板１、２の
基板間に液晶層９を挟持したものである。

【００１０】この液晶層９は複数の液晶分子からなり、
この液晶層９は、２枚の基板の一方の基板、例えば図１
における符号１で示される基板に接する複数の液晶分子
９ｃからなる第１の液晶層領域Ａと、２枚の基板の他方
の基板、例えば図１における符号２に示される基板に接
する複数の液晶分子９ｃ′からなる第２の液晶層領域Ｂ
と、第１の液晶層領域と第２の液晶層領域とに挟まれた
複数の液晶分子からなる第３の液晶層領域Ｃとからな
る。そして、図１（ａ）は電圧を電極への電圧無印加時
の液晶分子の配列を示し、図１（ｂ）は電極への第１の
電圧印加状態を示し、図１（ｃ）は電極への第２の電圧
印加状態を示す。

【００１１】図１（ａ）に示すように、電極への電圧無
印加時では、第３の液晶層領域Ｃの複数の液晶分子は互
いに略平行で、かつ一方の基板から他方の基板に向かっ
て前記基板の面内方向でねじれて配列している。図１
（ｂ）に示すように、電極への第１の電圧印加時では、
第３の液晶層領域Ｃの複数の液晶分子のうち一部の液晶
分子９ａの傾きが基板の法線方向と略平行に配列してい
る。この第１の電圧印加時とは、閾値電圧以上で液晶分
子が基板の法線方向と略平行、すなわち液晶分子が立ち
上がり始めた液晶セルのリタデーションの印加電圧によ
る変化が急激である状態より更に、液晶への印加電圧を
更に大きくした時である。図１（ｃ）に示すように、電
極への第２の電圧印加時では、第３の液晶層領域の複数
の液晶分子９ａ、９ｂの傾きが基板の法線方向と略平行
に配列している。この第２の電圧印加時は、第１の電圧
印加時よりも更に電圧をかけた状態であり、このとき第
３の液晶層領域の液晶分子９ａ、９ｂが前記基板の法線
方向とほぼ平行に配列している状態、すなわち液晶が立
ち上がった状態となる。

【００１２】また、本発明の液晶電気光学素子は、第１
の電圧印加時を前記液晶電気光学素子の表示のオフ時と
し、更に第１の電圧印加時と第２の電圧印加時の間で表
示を行うすることを特徴とする。これは、第１の電圧印
加時の液晶の配列状態と第１の電圧印加時よりさらに電
圧を印加した時、例えば第２の電圧印加時の液晶の配列
状態の液晶の配列による液晶層の複屈折が異なることを
利用して、表示を行うものである。この第１の電圧印加
時の液晶層の状態は、ｐｉセルに於けるベンド配列と似
た状態になっており、この状態を表示のオフ時として液
晶駆動電圧を変化させた場合、ｐｉセルと同等の高速な
応答速度が得られる。更に、電圧無印加時には第３の液
晶層領域の複数の液晶分子は互いに略平行で配列してい
るので、電圧無印加時の液晶層の配向状態から第１の電
圧印加時の液晶層の配向状態に移動する時間が、例え
ば、２００ｍｓ以下となりＯＣＢモードと比較して格段
に早くなる。またそればかりでなく、ＯＣＢモードと比
べて、プレチルト角が低くても安定した配向状態が得ら
れる。ｐｉセルの場合、液晶の分子配列の変化はスプレ
イからベンドへ不連続に転移するが、本発明の液晶電気
光学素子では連続した変化になっており、この為、ｐｉ
セルに於ける前述のような転移の問題がなく、ｐｉセル
に於けるベンド配列と似た状態を安定に保つことが容易
となる。また、安定した配向が得られるため、セルギャ
ップや液晶組成物の物性値への制限がｐｉセルよりも少
なく、設計および材料選択の自由度が高いという利点も
ある。この結果、高速応答の液晶電気光学素子を実現す
ることができる。

【００１３】表１に本発明の液晶電気光学素子、従来の
ＯＣＢモード、従来のＴＮモードのＴＦＴ液晶表示素子
（以下、ＴＦＴ−ＬＣＤ）の各々の応答速度及び電圧無
印加時の液晶層の配向状態から表示のオフ時に対応する
液晶の配向状態になるまでの移動速度（以下、移動速
度）について示す。

【００１４】

【表１】

【００１５】表１に示すように、ＴＦＴ−ＬＣＤは２値
表示での応答速度は３０ｍｓ程度が得られるが、階調表
示時の階調間の応答速度を調べると、電圧が印加されて
いない状態で白となるノーマリホワイトモードのＴＦＴ
−ＬＣＤにおいては、特に白に近い階調間および白と白
に近い階調間でのスイッチング（以下、階調間の応答速
度とする）が２値表示の場合に比べて著しく遅く１００
ｍｓである。これに対し、ＯＣＢモード、本発明の液晶
電気光学素子の２値表示及び階調間の応答速度は５ｍｓ
と高速応答が得られた。更に、本発明の液晶電気光学素
子、従来のＯＣＢモードの移動速度を比較するとＯＣＢ
モードでは３０分以上たっても表示のオフ時に対応する
液晶の配向状態に移動しないのに対し、本発明の液晶電
気光学素子は２００ｍｓ以下と速い移動が得られた。

【００１６】また、本発明の液晶電気光学素子は、図１
（ｂ）に示すように、第１の電圧印加時における前記第
３の液晶層領域Ｃの基板の法線方向と略平行に配列した
液晶分子９ａを中心にして、２枚の基板間に挟持された
液晶層９の厚さ方向に、液晶分子９ｂのように、２枚の
各々の基板１、２に向かって段階的に液晶分子の傾きが
変化していることを特徴とする。

【００１７】また、本発明の液晶電気光学素子は、第１
の電圧印加時における前記第３の液晶層領域Ｃの基板の
法線方向と略平行に配列した液晶分子９ａが液晶層の厚
さ方向における第３の液晶層領域の中央部に位置してい
ることを特徴とする。

【００１８】また、本発明の液晶電気光学素子は、上記
液晶電気光学素子の液晶のねじれ角θが１８０°である
ことを特徴とする。図１（ａ）は電圧を印加していない
場合の液晶分子の配列を示し、２枚の基板は対向したと
きに同じ方向となるよう配向処理されており、基板表面
での液晶分子は基板に対して概略水平になっており、基
板表面の配向処理と液晶組成物に添加されたカイラル剤
によって、ネマチック液晶はセル内全面にわたって同じ
方向に１８０゜ねじれて配向している。この場合、液晶
に添加するカイラル剤の量は、液晶のらせんピッチを
ｐ、セルギャップをｄとした時に、０．２５＜ｄ／ｐ
＜０．５とするのが適当であり、望ましくは安定したね
じれ配向が得られる限りにおいて、ｐの値はなるべく大
きい方がよい。この場合、電圧無印加時の配向状態はス
プレイ配向となっているＯＣＢモードと異なり、液晶分
子が互いに略平行である。この状態で印加電圧を大きく
してゆくと、閾値電圧以上で基板の法線方向とほぼ平行
に配列しようとする、すなわち液晶分子が立ち上がり始
める。尚、この状態では液晶セルのリタデーションの印
加電圧による変化が急激であり、この状態で液晶セルを
偏光板で挟み、複屈折モードの液晶電気光学素子として
動作させることができるが、これはねじれ角１８０゜の
ＳＴＮ−ＬＣＤに相当する。これに対して本発明の液晶
電気光学素子は、液晶への印加電圧を更に大きくして、
第１の電圧印加時に、第３の液晶層領域Ｃの一部の液晶
表示素子が前記基板の法線方向とほぼ平行の状態、すな
わち液晶が立ち上がった状態になっている。この状態で
は、液晶分子のねじれは液晶分子が立ち上がった部分が
主にねじれており、基板表面の近くの液晶分子があまり
立ち上がっていない第１及び第２の液晶層領域Ａ，Ｂで
はねじれは少ない。この結果、この１８０゜ねじれの液
晶セルの、液晶層の中央付近の液晶分子が立ち上がった
状態における液晶の分子配列は、ｐｉセルに於けるベン
ド配列と似た状態になっている。そしてこの状態で液晶
駆動電圧を変化させた場合、ｐｉセルと同等の高速な応
答速度が得られる。またそればかりでなく、プレチルト
角が低くても安定した配向状態が得られる。ｐｉセルの
場合、液晶の分子配列の変化はスプレイからベンドへ不
連続に転移するが、本発明の液晶電気光学素子では連続
した変化になっており、この為、ｐｉセルに於ける前述
のような転移の問題がない。また、安定した配向が得ら
れるため、セルギャップや液晶組成物の物性値への制限
がｐｉセルよりも少なく、設計および材料選択の自由度
が高いという利点もある。この結果、高速応答の液晶電
気光学素子を実現することができる。

【００１９】また、本発明の液晶電気光学素子は、液晶
のねじれ角θが９０°＜θ＜１８０°または１８０°＜
θ＜２７０°であることを特徴とする。この場合におい
ても、ねじれ角が１８０°の時と同様に高速応答が得ら
れる。しかし、バックフロー効果を考えた場合、ねじれ
角が１８０°及びその前後である１７５°〜１８５°で
あることが最も望ましい。ここで、バックフロ−効果に
ついて説明する。例えば電圧がかかっている時の中央近
傍のやや立ち上がった液晶分子は、電圧を切ることによ
り基板付近の寝ている状態の液晶分子に引き戻される。
しかし、中央付近の立ち上がった部分の液晶分子は、中
央近傍の液晶分子によって寝た状態になるのを妨げら
れ、戻りが遅くなる。これをバックフロー効果という。
ベンド配列の場合、このバックフロー効果は無くなる
が、液晶が１８０°ねじれた状態を除いたねじれ状態が
生じた場合、このバックフロー効果が発生する。

【００２０】また、本発明の液晶電気光学素子は、液晶
のねじれ角が、略９０°または略２７０°であり、かつ
液晶のプレチルト角が前記２枚の基板で異なることを特
徴とする。この場合、ねじれ角θが、９０°または２７
０°の場合、液晶層の中央付近の液晶分子が立ち上がっ
た状態の領域では、二枚の基板表面での液晶分子のプレ
チルト角が等しい場合、液晶層の上半分と下半分でのリ
タデーションの大きさが等しくなり、しかもその方向が
互いにほぼ９０度となっている。この為セル全体として
のリタデーションはセルの上半分と下半分が互いに補償
する関係となる。このため、印加電圧を変化させて液晶
分子を駆動しても光学応答を変化させることができな
い。この場合は２枚の基板のプレチルト角の大きさを変
えればよい。このようなセル全体としてのリタデーショ
ンがセルの上半分と下半分が互いに補償する関係となる
ねじれ角９０°または２７０°の場合、そしてこのよう
な関係となる傾向の強いねじれ角９０°を除く８５°〜
９５°、ねじれ角２７０°を除く２６５°〜２７５°の
場合に、２枚の基板のプレチルト角の大きさを変えるこ
とは有効である。また、液晶のねじれ角θが、略１８０
°または９０°＜θ＜１８０°または１８０°＜θ＜２
７０°の場合にも２枚の基板のプレチルト角の大きさを
変えてもよい。

【００２１】また、本発明の液晶電気光学素子は、液晶
のプレチルト角が０．３°〜１０°であることを特徴と
する。プレチルト角が０．３°より小さいと、液晶のね
じれが逆になるリバースツイストが発生する可能性があ
り好ましくない。また、プレチルト角が１０°より大き
いと、液晶セルのリタデーションが小さくなり、そのた
めセルギャップを大きくとる必要がある。そうすると、
応答速度が遅くなり好ましくない。また、１８０°＜θ
＜２７０°、略２７０°のようにねじれ角が大きい場
合、リバースツイストが発生するのを防止するためプレ
チルト角が３°以上であることが望ましい。

【００２２】また、本発明の液晶電気光学素子は、液晶
セルと偏光板の間に少なくとも１枚の光学異方層を配置
していることを特徴とする。本発明の液晶電気光学素子
の液晶セルの動作領域に於ける実効的なリタデーション
を適切に設定し、また偏光板と液晶セルの間に適当な光
学異方層を配置することで、光学補償を行い、白黒の液
晶シャッタを得ることができる。用いる光学異方層とし
ては、ポリカーボネートやポリアリレート等の樹脂を一
軸あるいは二軸延伸して作成した位相差フィルムや、法
線方向に負の位相差を持った光学異方性などが挙げられ
る。その他にいわゆるコレステリック液晶ポリマーのよ
うな光軸がねじれた光学異方層を用いることで、液晶セ
ルのねじれ成分を補償することも可能である。また、こ
れらの光学異方層を２つ以上組み合わせて用いること
で、より完全な補償を行うことができる。更に、カラー
フィルタと組み合わせることで、フルカラー表示のＬＣ
Ｄを実現することも可能である。

【００２３】また、本発明の液晶電気光学素子は、２枚
の偏光板の各々の光学軸が直交していることを特徴とす
る。この場合、光学異方層である補償板を変えることに
より、ノ−マリホワイト表示（電圧を高くしていくと、
透過率が減少。以下、ＮＷ）とノーマリーブラック表示
（電圧を高くしていくと透過率が増加。以下、ＮＢ）を
行う。具体的には、第１の電圧印加時の時の液晶セルの
リタデーションを補償するような補償板を使えばＮＢ、
第２の電圧印加時の液晶セルのリタデーションを補償す
るような補償板を使えばＮＷとなる。ここで、補償する
とは液晶セルと補償板の合計のリタデーションが±０に
なるようにすることであり、この場合２枚の偏光板が直
交となるので黒になる。つまり、補償板の法線方向から
見た場合のリタデーションが小さければＮＷ、大きけれ
ばＮＢとなる。

【００２４】また、本発明の他の液晶電気光学素子は、
２枚の偏光板の各々の光学軸が平行であることを特徴と
する。この場合、光学異方層である補償板を変えること
により、ノ−マリホワイト表示（電圧を高くしていく
と、透過率が減少。以下、ＮＷ）とノーマリーブラック
表示（電圧を高くしていくと透過率が増加。以下、Ｎ
Ｂ）を行う。具体的には、第１の電圧印加時の時の液晶
セルのリタデーションを補償するような補償板を使えば
ＮＷ、第２の電圧印加時の液晶セルのリタデーションを
補償するような補償板を使えばＮＢとなる。ここで、補
償するとは液晶セルと補償板の合計のリタデーションが
±０になるようにすることであり、この場合２枚の偏光
板が平行となるので白になる。

【００２５】２枚の偏光板が直交する時と平行な時とを
比較した場合、どちらでも表示可能であるが、良好なコ
ントラスト比を得るためには良い黒を得るすなわち透過
率が低いことが必要となるので、偏光板が直交状態であ
ることが好ましい。これは、偏光板が平行状態で黒の場
合は、波長分散の影響が出るためである。偏光板が平行
状態では、コントラスト比は低下すると考えられるが、
透過率を高くしやすい。

【００２６】また、偏光板が直交する時のＮＷ，ＮＢを
比較すると、液晶セルのリタデーションが小さい状態で
黒をだすＮＷの方が、温度により液晶セルのリタデーシ
ョンが変化したとき変化量の絶対値が小さいため、温度
特性の点で有利となる。

【００２７】また、偏光板の光学軸を、２枚の基板の各
々の配向処理方向のなす角を２等分する２等分線から４
５°傾いた方向に設定することを特徴とする。これは、
２枚の偏光板を直交に配置した時でも平行に配置した時
でも、このように設定することにより最大透過率を得る
ことができる。例えば、２枚の偏光板が直交の時を例に
あげると透過率は以下の式１で表される。

【００２８】

【数１】（ここで、Ｔ：透過率、α：偏光板の光学軸と液晶セル
の屈折率楕円体の軸のなす角、△ｎ：液晶の屈折率異方
性、ｄ：セルギャップ、λ：光の波長）液晶セルの屈折率楕円体の軸は、配向処理方向のなす角
を２等分する２等分線の方向となる。Ｔはｓｉｎ²（２
α）とｓｉｎ²（π・△ｎ・ｄ／λ）との積である。ｓ
ｉｎ²（２α）はαで決まる定数で１〜０の値をとる。
一方、ｓｉｎ²（π・△ｎ・ｄ／λ）も０〜１の値をと
り、これは印加電圧で変化する。従って、最大透過率は
ｓｉｎ²（２α）で決まり、その値は１となる。よっ
て、ｓｉｎ²（２α）＝１となるのは２α＝π／２…の
時となり、α＝４５°の時となる。すなわち、偏光板
の光学軸を、２枚の基板の各々の配向処理方向のなす角
を２等分する２等分線から４５°傾いた方向に設定する
ことにより最大透過率を得ることができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下本発明の液晶電気光学素子、
例えば、液晶表示素子を用いて、一実施例を詳細に説明
する。（実施例１）本発明の液晶電気光学素子の構造を図３を
用いて説明する。

【００３０】図３に示すように、本発明の液晶電気光学
素子２２は、ガラス基板１の一主面に電極４が形成され
たアレイ基板１１とガラス基板２の一主面上に電極６が
形成された対向基板１２の２枚の基板を主面が対向する
ように配置し、２枚の基板間にネマティック液晶層９が
挟持された液晶セル２１を、２枚の偏光板１０の間に配
置している。

【００３１】図３に示すようにアレイ基板１１は、ガラ
ス基板１上にマトリクス状に複数の信号線（図示せず）
および複数の走査線（図示せず）が配設され、これらの
交点に対応してアモルファスシリコンのＴＦＴ３とこの
ＴＦＴに接続して形成された画素電極４が形成されてお
り、これらの上に配向膜５が形成されている。一方、対
向基板１２は、ガラス基板２上にアレイ基板１１の各画
素電極に対応して赤、緑、青の三原色からなるカラーフ
ィルタ８と、これら各色のカラーフルタ８を区画するよ
うに形成されたブラックマトリクス７が形成され、これ
らの上にベタのＩＴＯ電極６、配向膜５が順次形成され
ている。

【００３２】この液晶電気光学素子２２の液晶層９は複
数の液晶分子からなり、この液晶層９は、２枚の基板の
一方の基板１に接する複数の液晶分子９ｃからなる第１
の液晶層領域Ａと、２枚の基板の他方の基板２に示され
る基板に接する複数の液晶分子９ｃ′からなる第２の液
晶層領域Ｂと、第１の液晶層領域と第２の液晶層領域と
に挟まれた複数の液晶分子からなる第３の液晶層領域Ｃ
とからなる。そして、図１（ａ）は電圧を電極への電圧
無印加時の液晶分子の配列を示し、図１（ｂ）は電極へ
の第１の電圧印加状態を示し、図１（ｃ）は電極への第
２の電圧印加状態を示す。

【００３３】図１（ａ）に示すように、電極への電圧無
印加時では、第３の液晶層領域Ｃの複数の液晶分子は互
いに略平行で、かつ一方の基板から他方の基板に向かっ
て前記基板の面内方向で１８０°ねじれて配列してい
る。図１（ｂ）に示すように、電極への第１の電圧印加
時では、第３の液晶層領域Ｃの複数の液晶分子のうち第
３の液晶層領域Ｃの中央部の液晶分子９ａの傾きが基板
の法線方向と略平行に配列し、液晶分子９ａを中心にし
て、２枚の基板間に挟持された液晶層９の厚さ方向に、
液晶分子９ｂのように、２枚の各々の基板１、２に向か
って段階的に液晶分子の傾きが変化している。図１
（ｃ）に示すように、電極への第２の電圧印加時では、
第３の液晶層領域の複数の液晶分子９ａ、９ｂの傾きが
基板の法線方向と略平行に配列している。この第２の電
圧印加時は、第１の電圧印加時よりも更に電圧をかけた
状態であり、このとき第３の液晶層領域の液晶分子９
ａ、９ｂが前記基板の法線方向とほぼ平行に配列してい
る状態、すなわち液晶が立ち上がった状態となる。

【００３４】次に、製造方法および表示方法について説
明する。ガラス基板１上にアモルファスシリコンのＴＦ
Ｔ３と走査線（図示せず）であるゲート線、信号線（図
示せず）、画素電極４を形成した、画素数が縦４８０、
横６４０×３画素のアレイ基板１を形成した。

【００３５】次に、ガラス基板２上にアレイ基板１１の
各画素電極に対応して赤、緑、青の三原色からなるカラ
ーフィルタ８と、これら各色のカラーフルタ８を区画す
るように形成されたブラックマトリクス７とを形成し、
この上にベタのＩＴＯ電極６を形成して対向基板１２を
形成した。これら２枚のアレイ基板１１、対向基板１２
上に各々配向膜５としてオプトマーAL-1051 （（株）日
本合成ゴム製。プレチルト角約１゜）を80nmの厚さに塗
布・形成した。ここで、画素ピッチは縦0.33mm、横0.11
mmである。

【００３６】続いて前記配向膜を、走査線に平行かつ、
二枚の基板１１、１２上の各々の電極４、６が対向する
ように二枚の基板を配置したときに二枚の基板のラビン
グ方向が互いに平行になるような方向にラビングした。

【００３７】次に、アレイ基板１１上にスペーサ（図示
せず）として直径9.5 μm の球状微粒子であるミクロパ
ールＳＰ（（株）積水ファインケミカル製）を一方の基
板の主面に80個/mm ２の密度で散布した。もう一方の対
向基板１２の有効表示領域の周辺部をエポキシ樹脂の接
着剤（図示せず）としてXN-21 （三井東圧化学株式会社
製）を、液晶注入のための開口部を除いてスクリーン印
刷方によって塗布した。その後、アレイ基板と対向基板
を前記配向膜どうしを対向させた状態で重ね合わせ、加
圧しながら加熱して接着し、セルギャップが9.5 μm の
液晶セルを作製した。

【００３８】そしてこの液晶セルに液晶組成物９として
ZLI-1132（E.Merck 社製。Δｎ＝0.14）にカイラル剤と
してS811（E.Merck 社製）を添加したものを真空注入法
により注入し、注入後液晶の注入口を紫外線硬化樹脂UV
-1000 （（株）ソニーケミカル製）にて封止した。この
時、カイラル剤の濃度は、液晶のらせんピッチが約35μ
m となるように調整した。この液晶セルに偏光板１０と
してG1220DU （（株）日東電工製）を、光学軸がラビン
グ方向に対して４５゜でかつ互いに直交するように貼り
付けた。

【００３９】得られた液晶電気光学素子は、電極への電
圧無印加時では、第３の液晶層領域Ｃの複数の液晶分子
は互いに略平行で、かつ一方の基板から他方の基板に向
かって前記基板の面内方向で１８０°ねじれて配列して
いる。第１の電圧印加時では、第３の液晶層領域Ｃの複
数の液晶分子のうち第３の液晶層領域Ｃの中央部の液晶
分子９ａの傾きが基板の法線方向と略平行に配列し、液
晶分子９ａを中心にして、２枚の基板間に挟持された液
晶層９の厚さ方向に、液晶分子９ｂのように、２枚の各
々の基板１、２に向かって段階的に液晶分子の傾きが変
化している。第２の電圧印加時では、第３の液晶層領域
の複数の液晶分子９ａ、９ｂの傾きが基板の法線方向と
略平行に配列している。この第１の電圧印加時と前記第
２の電圧印加時の間で駆動して表示を行った。本実施例
の場合、第１の電圧印加は２Ｖ、第２の電圧印加は８Ｖ
で表示を行った。

【００４０】そして、液晶セルの実効的なリタデーショ
ンがおおよそ0.26μm となる電圧を駆動電圧の最小値と
して使用したところ、駆動電圧に対して透過率が単調に
減少する電気光学特性が得られ、正面でのコントラスト
比は１００以上が得られた。

【００４１】また、応答速度は階調間での差はほとんど
無く、約5ms と高速であり、動きのある画像を表示して
も輪郭がぼやけることなど無く良好な表示が得られた。
また、電圧無印加状態から第１の電圧印加状態までの時
間も２００ｍｓ以下と高速であった。

【００４２】（比較例１）実施例１における液晶組成物
にカイラル剤を添加しないものを使用して、実施例１と
同一の部材と条件でＴＦＴ−ＬＣＤを作製した。こうし
て得られた液晶電気光学素子は電圧無印加時の配向状態
は、ねじれのないスプレイの水平配向であった。この液
晶電気光学素子を駆動してみたが、スプレイからベンド
への転移が起こらず、ｐｉセルとしての動作が得られな
かった。

【００４３】（比較例２）比較例１に示したＴＦＴ−Ｌ
ＣＤの配向膜をSE-5211 （日産化学工業株式会社製。プ
レチルト角約５゜）に変えて作製した。このＴＦＴ−Ｌ
ＣＤを駆動したところ、スプレイからベンドへの転移は
生じたが、３０分経過しても全面が転移しきらなかっ
た。

【００４４】（実施例２）図４に示すように、実施例１
に示した液晶電気光学素子の液晶セル（図４の３５に相
当）と偏光板１０との間に、リタデーションの値が約90
nmのポリカーボネート製の光学異方層３１である２軸位
相差フィルム（（株）日東電工製）を、フイルムの屈折
率が大きい方向をラビング方向に直交するように配置し
た。なお、図４はＯＣＢモードの液晶表示素子を表すも
のであり、この図のｐｉセル３５の代わりに実施例１の
液晶電気光学素子の液晶セルを置き換えたものと考えれ
ば良い。

【００４５】この液晶電気光学素子の印加電圧と透過率
の関係を表すＶＴ特性を図５に示す。表示は図５の印加
電圧が２Ｖの時を第１の電圧印加時すなわち、表示のオ
フ時とし、印加電圧が４．８Ｖの時を第２の電圧印加時
とし、この第１の電圧印加時と第２の電圧印加時の間で
表示を行った。

【００４６】この液晶電気光学素子は、実施例１に比べ
て駆動電圧の最大値（すなわち第２の電圧）が４．８Ｖ
に低減され、かつコントラスト比、視角特性も改善し
た。（実施例３）実施例１と同様に、対角３インチ、縦２２
０画素、横６４０画素、画素配置がデルタ配列の液晶電
気光学素子を作製した。但しここではラビング方向を走
査線方向に対してアレイ基板１１、対向基板１２ともに
それぞれで１５゜ずらして、液晶が１５０゜ツイストす
るようにした。また、液晶に添加したカイラル剤の濃度
は、らせんピッチが約40μm となるように調整した。ま
た、液晶のプレチルト角は１゜とした。偏光板の光学軸
の方向は走査線に対して４５゜かつ２枚の偏光板が互い
に直交となるようにした。本実施例の場合、第１の電圧
印加は２Ｖ、第２の電圧印加は８Ｖで表示を行った。

【００４７】この液晶電気光学素子は、応答速度は階調
間での差はほとんど無く、約5ms と高速であり、動きの
ある画像を表示しても輪郭がぼやけることなど無く良好
な表示が得られた。また、電圧無印加状態から第１の電
圧印加状態までの時間も２００ｍｓ以下と高速であっ
た。

【００４８】得られた液晶電気光学素子をビデオプロジ
ェクタのライトバルブとして用いてＴＶ画像を表示した
ところ、動きの激しい画像のビデオソフトを表示しても
輪郭がぼやけることなく良好な画質が得られた。

【００４９】（実施例４）実施例３と同様の液晶電気光
学素子を、ラビング方向を走査線に対して１５゜実施例
３の場合とは逆方向にずらして、液晶が２１０゜ツイス
トするようにし、配向膜には前述のSE-5211 を用いて作
製した。また、液晶のらせんピッチは約30μm となるよ
うにし、液晶のプレチルト角は４゜とした。本実施例の
場合、第１の電圧印加は２Ｖ、第２の電圧印加は４．６
Ｖで表示を行った。

【００５０】こうして得られた液晶電気光学素子の液晶
セルと偏光板の間に実施例２と同様な位相差板を付加し
たところ、位相差板がない場合に比べて駆動電圧を４．
６Ｖに低減することができた。

【００５１】（実施例５）実施例３と同様の液晶電気光
学素子を、アレイ基板１１、対向基板１２の２枚の基板
上のそれぞれの配向膜５の材料を、アレイ基板１１側は
AL-1051 、対向基板１２側にはSE-5211 というように変
えて作製した。これにより、アレイ基板１１側のプレチ
ルト角を１゜、対向基板１２側のプレチルト角を５゜と
した。ラビング方向は走査線に対して４５゜とし、液晶
が９０゜ねじれるようにした。また、セルギャップは約
12μm 、液晶のらせんピッチは約100 μm となるように
調整した結果、応答速度が約20msの液晶電気光学素子が
得られた。

【００５２】（実施例６）実施例５のＴＦＴ−ＬＣＤ
の、液晶セルと偏光板の間にリタデーションが約30nmの
光学異方層である位相差板をその屈折率楕円の長軸が走
査線に対して直角となるように配置したところ、コント
ラスト比が１５％向上した。

【００５３】本発明の液晶電気光学素子は、パソコン、
ワープロ等に用いる液晶表示素子やビデオプロジェクタ
のライトバルブ、３Ｄ−ＴＶに使用するメガネに用いる
高速液晶シャッタへ応用することができる。

【００５４】

【発明の効果】本発明によれば、液晶層は電圧無印加時
には液晶分子が互いに略平行状態で配列しているので、
電圧無印加時の液晶層の配向状態から、液晶電気光学素
子が動作する第１の電圧印加時の液晶層の配向状態に移
動する時間が高速でかつ配列が安定な液晶電気光学素子
を用いることができる。

【００５５】また、第１の電圧印加時の液晶層の状態
は、ｐｉセルに於けるベンド配列と似た状態になってお
り、この状態を表示のオフ時として液晶駆動電圧を変化
させた場合、ｐｉセルと同等の高速な応答速度が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の一実施例である液晶電気光学素
子の縦断面図で、液晶分子の電圧無印加状態の配列を示
す。（ｂ）本発明の一実施例である液晶電気光学素子の縦断
面図で、液晶分子の第１の電圧印加状態の配列を示す。
は第１の電圧印加状態、（ｃ）は第２の電圧印加状態を
示している。

【図２】（ａ）従来のｐｉセルの縦断面図で、液晶分子
の電圧無印加状態の配列を示す。（ｂ）従来のｐｉセルの縦断面図で、液晶分子の電圧印
加状態の配列を示す。

【図３】本発明の一実施例である液晶電気光学素子の縦
断面図。

【図４】ＯＣＢモードのＬＣＤの構成を示す斜視図。

【図５】本発明の一実施例である液晶電気光学素子の表
示領域を説明するＶＴ特性を示す図。

【符号の説明】

１…ガラス基板２…ガラス基板３…ＴＦＴ４…画素電極５…配向膜６…ＩＴＯ対向電極７…ブラックマトリクス８…カラーフィルタ９…液晶層９ａ，９ｂ，９ｃ…液晶分子１０…偏光板１１…アレイ基板１２…対向基板２１…液晶セル２２…液晶電気光学素子３１…光学異方層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者福岡暢子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)発明者二ノ宮利博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)発明者大山毅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)発明者吉田典弘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)発明者庄子雅人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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一主面に電極が形成された２枚の基板が前
記一主面が対向するように平行配置され、前記２枚の基
板間にネマティック液晶層が挟持された液晶セルと、前
記液晶セルを挟持するように配置された２枚の偏光板と
を有する液晶電気光学素子において、前記液晶層は、前
記液晶層の液晶分子のうち前記２枚の基板の一方の基板
に接する複数の液晶分子からなる第１の液晶層領域と、
前記液晶層の液晶分子のうち前記２枚の基板の他方の基
板に接する複数の液晶分子からなる第２の液晶層領域
と、前記液晶層の液晶分子のうち前記第１の液晶層領域
と前記第２の液晶層領域とに挟まれた複数の液晶分子か
らなる第３の液晶層領域とからなり、前記電極への電圧
無印加時では、前記第３の液晶層領域の前記複数の液晶
分子は互いに略平行で、かつ一方の基板から他方の基板
に向かって前記基板の面内方向でねじれて配列し、前記
電極への第１の電圧印加時では、前記第３の液晶層領域
の前記複数の液晶分子のうち一部の液晶分子はその傾き
が前記基板の法線方向と略平行に配列し、前記電極への
第２の電圧印加時では、前記第３の液晶層領域の前記複
数の液晶分子はその傾きが前記基板の法線方向と略平行
に配列していることを特徴とする液晶電気光学素子。
【請求項２】前記第１の電圧印加時を前記液晶電気光学
素子の表示のオフ時とすることを特徴とする請求項１記
載の液晶電気光学素子。
【請求項３】前記第１の電圧印加時と第２の電圧印加時
の間で表示を行うことを特徴とする請求項１記載の液晶
電気光学素子。
【請求項４】前記第１の電圧印加時における前記第３の
液晶層領域の前記基板の法線方向と略平行に配列した液
晶分子を中心にして、前記２枚の基板間に挟持された前
記液晶層の厚さ方向に、前記２枚の各々の基板に向かっ
て段階的に液晶分子の傾きが変化していることを特徴と
する請求項１または２記載の液晶電気光学素子。
【請求項５】前記第１の電圧印加時の前記液晶層の厚さ
方向における前記第３の液晶層領域の中央部の液晶分子
の傾きが前記基板の法線方向と略平行に配列しているこ
とを特徴とする請求項３記載の液晶電気光学素子。
【請求項６】前記液晶層の液晶のねじれ角θは、１８０
°であることを特徴とする請求項１〜５いずれか１つ記
載の液晶電気光学素子。
【請求項７】前記液晶層の液晶のねじれ角θは、９０°＜θ＜１８０°または１８０°＜θ＜２７０° であることを特徴とする請求項１〜５いずれか１つ記載
の液晶電気光学素子。
【請求項８】前記液晶のプレチルト角が前記２枚の基板
で異なることを特徴とする請求項６または７記載の液晶
電気光学素子。
【請求項９】前記液晶層の液晶のねじれ角θは、略９０
°または略２７０°であり、かつ前記液晶のプレチルト
角が前記２枚の基板で異なることを特徴とする請求項１
〜５いずれか１つ記載の液晶電気光学素子。
【請求項１０】前記液晶のプレチルト角が０．３°〜１
０°であることを特徴とする請求項１〜９いずれか１つ
記載の液晶電気光学素子。
【請求項１１】前記液晶セルと前記偏光板の間に少なく
とも１枚の光学異方層を配置した、請求項１〜１０いず
れか１つ記載の液晶電気光学素子。
【請求項１２】前記２枚の偏光板の各々の光学軸が直交
していることを特徴とする請求項１１記載の液晶電気光
学素子。
【請求項１３】前記２枚の偏光板の各々の光学軸が平行
であることを特徴とする請求項１１記載の液晶電気光学
素子。
【請求項１４】前記偏光板の光学軸を、前記２枚の基板
の各々の配向処理方向のなす角を２等分する２等分線か
ら４５°傾いた方向に設定することを特徴とする請求項
１〜１３いずれか１つ記載の液晶電気光学素子。