JP3658122B2

JP3658122B2 - 液晶表示素子とその製造方法

Info

Publication number: JP3658122B2
Application number: JP00411897A
Authority: JP
Inventors: 貴杉山
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 1997-01-13
Filing date: 1997-01-13
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2017-01-13
Also published as: JPH10197858A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶表示素子に関し、特にコントラスト特性及び応答特性等の表示品質が優れた液晶表示素子とその製造方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２に示すような垂直配向型ＥＣＢ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＢｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モードＬＣＤ（液晶表示装置）は、同図（Ａ）のように電圧無印加時に液晶分子２０が上下基板２１、２２に対して垂直に配向しているため直交ニコル配置の偏光板２３、２４と組み合わせることにより高コントラスト表示が得られることが知られている。
【０００３】
このＥＣＢモードでは、電圧印加時に図２（Ｂ）に示すようにセルの上下基板間の中央部の液晶分子から倒れはじめ、それと共に液晶層のリターデーションが変化して徐々に透過率が上昇するという電気光学的特性を持っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このＥＣＢモードでは、電圧を印加した時に、基板間のセル中間部の液晶分子から倒れ、液晶層のリターデーションが変化し徐々に透過率が上がるのであるが、一般に液晶層に印加する駆動電圧の変化に対する透過率変化の割合、すなわち急峻性（シャープネス）がＳＴＮ−ＬＣＤ（スーパツイストネマチック型液晶表示素子）などに比べて緩やかであるために、時分割駆動方式で大きなデューティ比で表示動作を行う場合に、コントラストが小さいことや明状態の透過率が低いという問題があった。液晶セル厚を厚くすると急峻性を高めることができるということが知られているが、セル厚を厚くすると応答速度が遅くなるという別の問題が生じる。
【０００５】
本発明の目的は、応答速度が速く、シャープネスが良い、すなわちコントラスト比が高く、かつ明状態での透過率が高い垂直配向型ＥＣＢモード液晶表示素子とその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の液晶表示素子は、電極を表面に形成し互いに対向配置された所定間隔の１対の基板と、前記一対の基板間に配置される液晶層とを有し、前記液晶層に電圧が印加されてない状態で液晶分子が基板面に対して垂直に配向している垂直配向型ＥＣＢモード液晶表示素子において、前記一対の基板の外側に方向により異なる屈折率を有する二軸性リターデーションフィルムをさらに有し、該二軸性リターデーションフィルムは、該フィルムの面内の互いに直交する方向をｘおよびｙとし、該フィルム面の法線方向をｚとしたときにｘ方向の屈折率ｎ_xとｙ方向の屈折率ｎ_yとｚ方向の屈折率ｎ_zとがｎ_x＞ｎ_y＞ｎ_zとなる関係を有し、前記液晶層に電圧が印加された時に液晶分子が倒れ始める方向と前記ｘ方向とが直交する１枚のフィルムであることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１の（Ａ）は本発明の参考例によるＥＣＢモード液晶表示素子の断面構造を模式的に示したものである。図１において、図２の（Ａ）と同様な垂直配向処理をしてある液晶セル１の外側に互いに直交ニコル配置の偏光板２及び３が配置される。そして、液晶セル１と偏光板２との間に１軸性リターデーションフィルム４が配置される。
【０００９】
この１軸性リターデーションフィルム４は、正の屈折率異方性を示す（異常光に対する屈折率が常光に対する屈折率よりも大きい）光軸をフィルム面と水平な方向に有する。なお、１軸性リターデーションフィルム４は、液晶セル１と下の偏光板３との間に配置してもよい。なお、図１（Ａ）の液晶セル１では上下の基板や電極あるいは液晶分子の表示は省略してある。
【００１０】
図１の（Ｂ）は、図１（Ａ）のＥＣＢモード液晶表示素子の平面図であり、電圧印加時に液晶分子が倒れ始める方向を大きな矢印１０で示し、上下の偏光板２、３の偏光軸をそれぞれ１１と１２で示し、１軸性リターデーションフィルム４の光軸方向を矢印１３で示している。
【００１１】
図１（Ｂ）から明らかなように、この実施例においては、１軸性リターデーションフィルム４の光軸方向１３は、電圧印加時に液晶分子が倒れ始める方向１０に対して直交（９０°）する関係にあり、さらに偏光板の偏光軸１１、１２とは４５°の角度をなすように配置している。
【００１２】
この１軸性リターデーションフィルム４のリターデーション値は５ｎｍから１００ｎｍの範囲の値が良く、さらに視角特性の観点からは２０ｎｍから５０ｎｍの範囲の値を採用することが好ましい。
【００１３】
電圧印加時に液晶分子が倒れ始める方向１０を設定する方法としては、液晶セル１の基板の垂直配向膜へのラビングの方向を適切に選択する方法や、本願と同じ出願人が出願した特願平８−１９０２５号の明細書中実施例中に開示したような垂直配向膜への紫外線の照射方向制御により行うことができる。後者の方法は、垂直配向膜へ直線偏光紫外線を配向膜に対して所定角度斜めの方向から照射して偏光の照射方向に液晶分子をプレティルトして垂直配向させるような配向処理である。このような１軸性リターデーションフィルム４を基板と液晶セルとの間に挿入することによりＥＣＢモード液晶表示素子のレスポンス特性が改善される理由について以下に説明する。
【００１４】
ＥＣＢモードのように電気光学的特性にしきい値特性を持った液晶表示素子を時分割駆動する場合、非選択電圧値がしきい値電圧に近づくほど電圧立ち上がり時の光透過率変化のレスポンスが遅くなる。ところが、垂直配向型ＥＣＢに液晶分子が倒れ始める方向に対して互いに直交ニコルの関係を有する一対の偏光板の偏光軸が４５°の関係で配置した液晶表示素子で、非選択時の透過率を低く抑えて高コントラスト表示を得るためには非選択電圧をしきい値電圧付近に設定することが必須条件である。従って、コントラストを良くするために非選択電圧をしきい値電圧付近に設定するとレスポンス特性は悪くなる。駆動電圧をさらに高くすればレスポンスは良くなるがコントラストは低下する。このようにレスポンスとコントラストとの間に二律背反がある。
【００１５】
これに対して、本参考例のような１軸性リターデーションフィルムを挿入したＥＣＢモード液晶表示素子では、該フィルムの持つリターデーションのために、電圧無印加時では光が僅かに抜けてしまうが、電圧印加時で液晶分子が倒れたことにより液晶セルのリターデーションと該フィルムのリターデーションとが互いに等しくなったときにお互いに打ち消し合い、十分な黒表示を得ることができる。このときの印加電圧はしきい値電圧よりも高くなるために、レスポンス特性は改善され、しかも高コントラスト特性も同時に得られるのである。
【００１６】
本参考例による１軸性リターデーションフィルムを挿入したＥＣＢモード液晶表示素子の電気光学特性を測定した結果を図３で示す。図３において、横軸は印加電圧変化であり、縦軸は液晶セルの透過率変化である。なお、透過率が最大の時を１００％としてある。
【００１７】
図３の（Ａ）は、比較のために１軸性リターデーションフィルムを挿入しないＥＣＢモード液晶表示素子のレスポンス特性を測定した結果であり、図３の（Ｂ）は、リターデーション値Ｒが２７ｎｍの１軸性リターデーションフィルムを挿入したＥＣＢモード液晶表示素子のレスポンス特性を測定した結果であり、図３の（Ｃ）は、リターデーション値Ｒが３６ｎｍの１軸性リターデーションフィルムを挿入したＥＣＢモード液晶表示素子のレスポンス特性を測定した結果である。
【００１８】
図３の（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）の特性測定結果から、１軸性リターデーションフィルムのリターデーション値が大きくなるに従って、低電圧（２．５Ｖ付近）での透過率が増加し、しきい値付近での透過率の一時的な減少（バウンド）が大きくなり、さらにしきい値電圧が高くなっていくことが判る。さらに、これらの測定結果から求まる各特性値を表１に示す。表１において、透過率が５％変化する電圧をＶ₅とし、透過率が５０％になる電圧をＶ₅₀，透過率が７０％になる電圧をＶ₇₀，透過率が９０％になる電圧をＶ₉₀、最大透過率をＴ_maxとする。なお、シャープネス特性はＶ₅₀／Ｖ₅、Ｖ₇₀／Ｖ₅、Ｖ₉₀／Ｖ₅の各値で示され、値が小さいほどより急峻なレスポンスと言える。
【００１９】
【表１】

【００２０】
以上の測定結果から、１軸性リターデーションフィルムのリターデーション値Ｒが大きくなるほど、Ｖ₅の値が大きくなることがわかる。しかしこの電圧上昇は僅かであるために液晶ドライバー（駆動回路）に与える影響は少なく問題ないレベルである。またリターデーション値が大きいほどシャープネス特性が良く、最大透過率Ｔ_maxについてはどの場合もほとんど同じであることから、時分割駆動をしたときにリターデーション値が大きいほど高コントラストでかつ高透過率の液晶表示素子が実現できることが判る。
【００２１】
図４には、図３（及び表１）で示す３種類の液晶表示素子を１／２４０デューティ駆動した場合のレスポンス（縦軸、立ち上がり時間と立ち下がり時間の平均）対コントラスト（横軸）特性を示す。同図で白丸でプロットした特性は従来のリターデーションフィルムを挿入しないＥＣＢモード液晶表示素子であり、黒丸の特性は２７ｎｍのリターデーションフィルムを挿入したもので、四角の特性は同じく３６ｎｍのリターデーションフィルムを挿入したものである。
【００２２】
図４に示す特性カーブは３種類の液晶表示素子を様々な電圧で駆動した時のコントラストとレスポンスの測定結果により求めた。同一コントラスト値の条件のもとで３種類の液晶表示素子を比較した場合、１軸性リターデーションフィルムのリターデーション値が大きくなるほど、レスポンス特性が良いことが判る。３６ｎｍのリターデーションフィルムを使用することによりレスポンスが従来のものに比べ２割程度改善されていることがわる。
【００２３】
また、測定結果は示してないが、様々な値を有する１軸性リターデーションフィルムを液晶セルと組み合わせて液晶表示装置を作成してそれらの組み合わせ毎に視角特性を目視にて評価した所、リターデーションの値が大きすぎるとリターデーションフィルムを挿入しない従来のものに比べて視角が狭くなることがわかった。視角特性の観点からは、リターデーションフィルムの効果が有効なのはリターデーション値が５ｎｍ〜１００ｎｍ程度の範囲にある１軸性リターデーションフィルムを使用した場合であり、さらに好ましくは２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度が良いことがわかった。
【００２４】
次に、本参考例のリターデーションフィルムを挿入した液晶表示素子を製作したときの工程について説明する。
【００２５】
▲１▼ 透明電極を形成したガラス基板に垂直配向型のポリイミド配向膜（日産化学工業製ＳＥ−１２１１）をスピンナーにて塗布し、２００°Ｃで１時間焼成した。焼成後の配向膜の膜厚は６００オングストロームであった。
【００２６】
▲２▼ 上記▲１▼の工程で処理したガラス基板に特願平８−１９０２５号の明細書実施例中に開示の方法により電圧印加時に液晶分子が所定方向に傾き始めるようにプレティルト角を与える配向処理を施した。これは、図５に示すように上記▲１▼の工程を行った基板１５に基板の法線方向１６と所定角度傾いた方向から直線偏光（あるいは楕円偏光ないしは自然光でも可）の紫外線１７を照射して偏光の照射方向にθp のプレティルト角を液晶分子１８に与えるものである。この場合、直線偏光の紫外線を基板に対して４５°の角度から１５秒間照射した。このときの照射強度は、オーク製作所製の紫外線照度計で２５４ｎｍ（波長）用のディテクタを取り付けて測定したところ２．３ｍＷ／ｃｍ²であった。
【００２７】
▲３▼ 以上の工程で処理した２枚のガラス基板を、紫外線照射方向が互いに逆向きで平行になるような関係で対向配置し、直径が５．５μｍの球形スペーサを介して重ね合わせて空セルを作成した。
【００２８】
▲４▼ ▲３▼の工程で得た空セルに誘電率異方性が負の液晶（メルク社製）を注入した。その注入の際に、液晶材料を等方性となるような温度（１１０°Ｃ）で毛細管現象を利用して注入した。このようにして得た液晶セルに電圧を印加したところ、基板に直角で光の入射方向を含む平面方向に均一に液晶分子が倒れることを確認した。
【００２９】
▲５▼ ▲４▼の工程で得た液晶セルの片側にリターデーション値が２７ｎｍ（３６ｎｍについても同様）の正の複屈折率を有する一軸性リターデーションフィルムを配置し、液晶分子が倒れ始める方向に対してリターデーションフィルムの光軸が直交するように位置決めした。
【００３０】
▲６▼ さらに▲５▼の工程で得た液晶セルを直交ニコル配置の２枚の偏光板（日東電工製）で挟持し、偏光板の偏光軸の方向が液晶分子が倒れ始める方向に対して４５°の角度をなすように配置した。
【００３１】
なお、本参考例の液晶表示素子と比較するための比較例として従来の方法による液晶表示素子も製作したが、その場合には上記（５）の工程は行わずにリターデーションフィルムを使用しなかった。他の工程については上記と基本的に同様である。
【００３２】
なお、ＥＣＢモードの液晶セルに負の複屈折を有し、光軸がフィルムの法線方向に存在するリターデーションフィルムを用いることもできる。垂直配向の液晶層の屈折率異方性を補償することができる。ただし、これのみでは液晶分子が倒れた時の屈折率異方性を補償できない。そこで、正の複屈折率を有し光軸がフィルムの面内方向に有する一軸性リターデーションフィルムと併用する。２種類のフィルムを併用する場合には、２種類のフィルムを液晶セルの両側に別々に配置してもよいし、一緒に片端に配置してもよい。
【００３３】
さらに、この２種類のフィルム構造は、フィルム法線方向をｚ軸とし、フィルム平面を互いに直交するｘ軸とｙ軸で規定したときに、ｘ方向の屈折率ｎ_xとｙ方向の屈折率ｎ_yとｚ方向の屈折率ｎ_zとがｎ_x＞ｎ_y＞ｎ_zの関係を有する２軸性のリターデーションフィルム１枚で代用することもできる。このばあい、１枚のフィルムによるリターデーション値に相当するのは（ｎ_x−ｎ_y）×（フィルム厚さ）である。
【００３４】
本願発明を本出願と同一の出願人による特許出願の特開平３−２５９１２１号公報の明細書中実施例に開示されている発明にも適用でき、同様な効果が得られる。この公報に記載の発明は、電極の交差部分（表示ピクセル部分）において、どちらか一方の電極側にそれと対向する電極エッジに沿う方向に細長い開口部（スリット）を形成することにより、ピクセル内の液晶分子を二つ以上の方向に倒れさせ広視角化を実現する。この公報記載の発明に上述のリターデーションフィルムを適用する場合には、スリットの長手方向にフィルムの光軸を揃えればよい。
【００３５】
さらに、電極の形状や配置を改良して、透過率や開口率を改善した発明が、本出願と同一の出願人による特許出願の特願平８−４０１６３号の明細書に開示されている。本願発明は、この特願平８−４０１６３号の明細書中実施例に開示された発明にも適用して同様な効果を得ることができる。特願平８−４０１６３号の発明の電極構造は、電極への切り込みが互い違いに構成されているもので、これに上述のリターデーションフィルムを適用する場合には、電界によって液晶分子の倒れる割合が最も多い方向と直交する方向すなわり切り込みの入る方向にフィルムの光軸を合わせればよい。
【００３６】
さらに、本出願と同一の出願人による特許出願の特願平８−１４１９１０号の明細書中実施例に開示されているカイラル剤添加の液晶のツイスト配向構造のＥＣＢ液晶表示装置にも上述のリターデーションフィルムを適用することができる。この場合にはツイスト構造には関わりなく電界によって液晶分子が傾き始める方向と直交する方向にフィルムの光軸を合わせればよい。
【００３７】
その他の垂直配向ＥＣＢモードの液晶表示素子においても、リターデーションフィルムを挿入して、電界によって液晶分子が傾き始める方向と直交する方向にリターデーションフィルムの光軸を合わせれば、発明の効果は同様に得られる。
【００３８】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。開示した実施例の種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、垂直配向型ＥＣＢモード液晶表示素子において、一対の基板の外側にフィルムの面内の互いに直交する方向をｘおよびｙとし、該フィルム面の法線方向をｚとしたときにｘ方向の屈折率ｎ _x とｙ方向の屈折率ｎ _y とｚ方向の屈折率ｎ _z とがｎ _x ＞ｎ _y ＞ｎ _z となる関係を有する２軸性リターデーションフィルムを挿入し、該リターデーションフィルムのｘ軸が液晶層に電圧が印加された時に液晶分子が倒れ始める方向と直交する方向になるようにリターデーションフィルムを配置したことによりシャープネス特性を向上させると同時にレスポンス特性を向上させることができ、高品質の液晶表示素子を作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による垂直配向型のＥＣＢモード液晶表示素子の断面図とリターデーションフィルムの光軸と液晶分子の倒れる方向との関係を示した平面図である。
【図２】従来の垂直配向型のＥＣＢモード液晶表示素子の電圧無印加時と印加時の液晶分子の配列状態を示す図である。
【図３】本発明の実施例による１軸性リターデーションフィルムを挿入したＥＣＢモード液晶表示素子のレスポンス特性を従来のものと比較した測定結果のグラフである。
【図４】本発明の実施例による１軸性リターデーションフィルムを挿入したＥＣＢモード液晶表示素子を１／２４０デューティ駆動した場合のレスポンス対コントラスト特性を従来のものと比較して示したグラフである。
【図５】電圧印加時の液晶分子の傾き始める方向を決めるための配向処理の方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１液晶セル
２、３偏光板
４リターデーションフィルム
１０液晶分子の倒れ始める方向
１１、１２偏光板の偏光軸
１３リターデーションフィルムの光軸

Claims

電極を表面に形成し互いに対向配置された所定間隔の１対の基板と、前記一対の基板間に配置される液晶層とを有し、前記液晶層に電圧が印加されてない状態で液晶分子が基板面に対して垂直に配向している垂直配向型ＥＣＢモード液晶表示素子において、前記一対の基板の外側に方向により異なる屈折率を有する二軸性リターデーションフィルムをさらに有し、該二軸性リターデーションフィルムは、該フィルムの面内の互いに直交する方向をｘおよびｙとし、該フィルム面の法線方向をｚとしたときにｘ方向の屈折率ｎ_xとｙ方向の屈折率ｎ_yとｚ方向の屈折率ｎ_zとがｎ_x＞ｎ_y＞ｎ_zとなる関係を有し、前記液晶層に電圧が印加された時に液晶分子が倒れ始める方向と前記ｘ方向とが直交する１枚のフィルムであることを特徴とする液晶表示素子。
前記２軸性リターデーションフィルムの面内リターデーション値の値が、５ｎｍから１００ｎｍまでの範囲に設定されていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
前記２軸性リターデーションフィルムの面内リターデーション値の値が、２０ｎｍから５０ｎｍまでの範囲に設定されていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
さらに前記一対の基板の外側に互いに偏光軸が直交する関係に配置した一対の偏光板を有し、前記２軸性リターデーションフィルムは前記一対の偏光板の一方と前記一対の基板の一方との間に挿入されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液晶表示素子。
前記偏光板の偏光軸の方向が前記液晶層に電圧が印加された時に液晶分子が倒れ始める方向と４５°の角度をなすように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の液晶表示素子。
前記一対の基板の一方の電極に開口部を設け、電圧印加時に前記開口部のエッジと他方の基板の電極との間で発生する方向の互いに異なる斜め電界によって前記液晶分子を互いに異なる方向に傾けるようにし、該リターデーションフィルムのｘ軸が前記液晶層に電圧が印加された時に液晶分子が倒れ始める割合がより大きな方向と直交する方向になるように前記リターデーションフィルムが配置されたことを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
前記液晶層は、誘電率異方性が負でかつカイラル剤が添加されたネマティック液晶を含むことを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。