JPH0667185A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い透過率や大きな視野角や高いコントラス
ト特性を実現し、かつ動作電圧が低く抑えられた液晶表
示素子を提供する。 【構成】 導電部１７が配設されたことによって、導電
部１７とその周辺の第２の電極５との間に形成される横
方向の電界１９が大きくなる。この横方向の電界１９に
沿って液晶９が配向し、この液晶９の配向により従来の
単純な円形の穴の場合に比較して広い領域にわたって光
が散乱される。その結果、表示画像のコントラスト比を
大きくすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ワードプロセッサやパーソナルコ
ンピューターなどの電子機器のディスプレイデバイスと
して、また投射型テレビや小型（携帯型）テレビとし
て、広く利用されている液晶表示装置は、光制御の観点
から分類すると、液晶分子の偏光効果と偏光子の偏光作
用とを組み合わせて画面中の明暗を変化させ表示を行な
うようにしたものと、液晶の相転移による光の散乱と透
過を利用して画面中の明暗を変化させ表示を行なうよう
にしたもの、および液晶に染料を添加してこの染料の可
視光吸収量を制御し色の濃淡変化により表示を行なうも
の等に分類することができる。

【０００３】液晶の偏光効果と偏光子の偏光作用とを組
み合わせた液晶表示装置としては、例えば90°捩れた分
子配列をもつツイステッドネマティック（ＴＮ）型液晶
表示装置がその代表的なものである。

【０００４】このＴＮ型液晶表示装置は、低電圧でその
偏光作用を制御できることから、低い電力消費特性であ
りながら早い応答速度および高いコントラスト比を具現
することができるという特長を有している。

【０００５】このような特長を活かして、前述のような
電子機器のディスプレイデバイスや、投射型ＴＶ、小型
ＴＶなどに広く利用されている しかしながら、このようなＴＮ型液晶表示装置は、動作
原理上、偏光板を少なくとも 1枚は用いるため、透過光
量は少なくとも50％以下となり、この偏光板によって光
が吸収されて光の透過率が著しく低くなる。また、分子
配列の方位性により、画面を見る角度および方位によっ
て表示色やコントラスト比が大きく変化するといった視
角依存性を有している。このため、ＴＮ型液晶表示装置
の表示性能は、一般的にブラウン管（ＣＲＴ）の視野角
の広さや画面輝度の高さなどの表示性能を完全に越える
までには至っていない。

【０００６】ヘリカル構造の分子配列をもつコレステリ
ック相からホメオトロピック分子配列のネマティック相
への相転移を電界印加で生じさせるＰＣ（Phase Chang
e）型液晶およびこれに染料を添加してなるWhite-Taylo
r型ＧＨ（Guest Host）液晶等を用いた液晶表示装置
は、動作原理的に偏光子が不要で、また表示作用も液晶
の偏光効果を用いたものではないことから、その表示画
面の輝度は明るく、また広い視認角特性を有している。
このような特長を活かして、車載用表示機器や、投射型
液晶表示装置等に応用されている。

【０００７】しかしながら、十分な光の散乱を得るに
は、液晶相の厚さを十分に厚くする、あるいはヘリカル
ピッチを小さくすることが必要であり、そのため高い駆
動電圧を要し、また応答速度も極めて遅くなるといった
欠点を有している。このような欠点から、表示量（画素
数）の多い表示素子への応用は困難である。

【０００８】また、印加電圧の増加に伴なって透過率が
急激に変化するために、階調表示を行なうことも困難で
ある。さらにその印加電圧−透過率特性にはヒステリシ
スが存在し、マルチプレクス駆動することが困難である
など、その実用性には問題が多い。

【０００９】また、有機電解質などの導電性物質を溶解
したＮｎ液晶を用いて、低周波で高電圧を印加すること
により散乱性を得るという、いわゆるＤＳ（Dynamic Sc
attering）効果を用いたものが提案されている。このＤ
Ｓ方式は、電界印加により液晶層内に乱流が発生して光
を散乱させる動的散乱効果を用いたものである。

【００１０】このＤＳ方式の液晶表示装置も、十分な散
乱効果を得るためには前述のように液晶層の厚さを十分
に厚くしなければならない。これは熱光学効果により相
転移を行なうものの場合も同様である。

【００１１】また、有機高分子に液晶を球状に保持した
ＰＤＬＣ（Polymer Dispersed Liquid Crystal）型液晶
表示装置は、散乱モードの液晶表示装置であり、動作原
理上偏光板を用いないため、その表示画面の輝度は明る
く、また視野角も広い。このようなＰＤＬＣ型液晶表示
装置は、広告塔用の表示装置や、投射型液晶表示装置等
に用いられている。

【００１２】しかしながら、そのようなＰＤＬＣ型液晶
表示装置は、外部から印加した電圧が有機高分子と液晶
とに分圧され液晶には印加電圧の一部しか印加されない
ので、動作電圧が比較的高く、前述の広告塔用の表示装
置のような据置き型の表示装置には適用できるものの、
例えばラップトップパソコンのような電源が低電圧の携
帯型電子機器などに用いるには実用的に問題がある。

【００１３】このようなＰＤＬＣ型の問題点を解消する
ことを企図して、有機高分子の材料を工夫したり、ある
いはポリマーネットワーク型液晶表示装置として繊維状
のポリマーを用いて駆動電圧を低下させる試みが提案さ
れているが、十分に低い駆動電圧特性などを実現するに
は至っていない。これは、そのポリマーと液晶組成物と
の混合に制約があり、要求される駆動特性を満足しよう
とすると十分な光散乱性を得ることが困難なためであ
る。

【００１４】一方、図４に示すように、電極３０１に微
細な円形の穴３０３を多数設けて、対向する基板３０
５、３０７上にそれぞれ配置された電極３０１、３０９
の間で発生する横方向の成分を持つ電界３１１により液
晶３１３の分子配列を微細な穴３０３の周囲で変化させ
て得られる屈折率の変化を利用した、いわゆる液晶レン
ズ効果が、「T.Nose et.al.,Proceedings of The 9th I
nternational Display Research Conference,Oct 16-1
8,Kyoto,p.396」において公開され、既に知られてい
る。

【００１５】この液晶レンズ効果は、光の収束作用のよ
うなレンズ効果だけでなく、穴３０３の周辺に発生する
電界３１１の横方向成分により液晶３１３の分子配向が
変化して入射光を散乱させる作用をも有している。この
ような液晶レンズの光散乱作用を利用して画素の明暗を
制御し表示を行なう液晶表示装置が考案されている。こ
のような液晶表示装置は、液晶３１３の配向状態の変化
による光の散乱を利用しているので動作原理的に偏光素
子が不要で、表示画面の輝度を明るくすることができ、
視野角特性も良好で駆動電圧も低くできるなど、多くの
特長を有している。

【００１６】しかしながら、このような液晶レンズ効果
を用いた液晶表示装置においては、実際には光の散乱効
果が弱く、十分なコントラスト比の実現が困難であると
いう問題がある。

【００１７】すなわち、電界３１１の横方向成分は、円
形の穴３０３の周辺のみに発生するので、光散乱が起き
る散乱部分３１５は図５に斜線を付して示すような円形
の穴３０３の周辺部分のみであり、円形の穴３０３の中
心部３１７は、常に光散乱が行なわれることなく透明の
ままである。

【００１８】また、液晶レンズ効果による光散乱の強さ
は液晶材料の複屈折率に依存するとともにセル厚や基板
上の円形の穴の直径やピッチにも依存している。そして
円形の穴３０３の直径やピッチおよびセル厚との相互関
係で電界３１１の横方向成分が決まり、この電界３１１
の横方向成分の分布が高密度に勾配しているほど効果的
な光散乱が実現できる。

【００１９】液晶層を通過する光の散乱の強さ自体は、
液晶層が厚いほどその光の経路は長くなるので増大す
る。ところが円形の穴３０３の直径やピッチはそのまま
一定にしてセル厚を大きくすると、今度は電界３１１の
横方向成分の勾配が相対的に小さくなり、この電界３１
１の横方向成分による光の散乱作用の強さが小さくなっ
てしまい、十分なコントラスト比が実現できない。

【００２０】このように、従来の液晶レンズ効果を用い
た液晶表示装置では、光の散乱効果を十分に高くするこ
とは容易ではなく高いコントラスト比が実現できないと
いう問題があった。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の液
晶表示装置においては、例えばＴＮ型液晶表示装置のよ
うな液晶の偏光効果および偏光子の偏光作用を用いたも
のの場合では、透過率が低く、また視角依存性があり視
野角が狭いという問題があった。

【００２２】あるいは、ＰＣ型液晶およびこれに染料を
添加してなるWhite-Taylor型ＧＨ液晶等を用いた液晶表
示装置では、高い駆動電圧を要し、応答速度も極めて遅
く、マルチプレックス駆動や階調表示が困難であるとい
う問題があった。

【００２３】また、ＰＤＬＣ型液晶表示装置やＤＳ型液
晶表示装置は、動作電圧や消費電力が比較的高く、例え
ばラップトップパソコンのような携帯型の電子機器など
に用いることは容易ではないという問題があった。

【００２４】また、液晶レンズ効果を用いた液晶表示装
置では、表示画面の輝度を明るくすることができ視野角
特性も良好で駆動電圧も低くできるなど多くの長所を有
している半面、十分なコントラスト比を実現できないと
いう問題があった。

【００２５】本発明は、このような問題を解決するため
に成されたもので、その目的は、高い透過率や大きな視
野角や高いコントラスト特性を実現し、かつ動作電圧を
低く抑えた液晶表示素子を提供することにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶表示装置
は、第１の電極を有する第１の基板と、第２の電極を有
する第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板と
の間に挟持される液晶組成物と、前記液晶組成物に液晶
駆動電圧を印加する液晶駆動電圧印加手段とを有し、前
記第１の電極および前記第２の電極のうち少なくとも一
方の電極に複数の円形の穴が穿設された液晶表示装置に
おいて、前記穴の内側に前記電極との電気的な接続を避
けて島状に形成された導電部を具備することを特徴とし
ている。なお、前記の島状に形成された導電部の材質と
しては、例えば透明導電膜として第１の電極に用いられ
るようなＩＴＯを用いることが好適であるが、これには
限定しない。あるいはさらに導電性が良好で周囲の電位
からの誘導により電位が誘起されて電界を形成しやすく
かつ電荷が蓄積されることの少ない、例えばＡｌ（アル
ミ）のような金属膜を用いてもよい。ただし、この導電
部がＡｌのような金属膜からなるものの場合では、この
導電部は電圧非印加時にも常に光を遮断するので、この
導電部の面積分だけ画素の輝度およびコントラストが低
下することになる。従って、それが無視できるものの場
合には、導電部としてＡｌのような金属膜を用いてもよ
い。

【００２７】また、本発明に係る液晶表示装置として
は、背面に光源を配置した透過型や、反射板を配置した
反射型、あるいはその中間的な透過反射型などでもよ
い。あるいは、投射レンズやズーム機構等を備えた投射
型液晶表示装置にも応用することができる。この場合、
高透過率を実現できるという本発明の液晶表示装置の特
長が活用できるので一層好適である。

【００２８】また、本発明の技術は、駆動方式としては
スタティック駆動方式や単純マルチプレクス駆動方式や
アクティブマトリクス駆動方式の液晶表示装置などに応
用することができる。

【００２９】また、本発明の技術は、最も単純な光散乱
モードと光透過モードとの間の切り替え動作を行なう液
晶表示装置のほか、例えば 2色染料を液晶に混合したゲ
ストホスト型や偏光板を 1枚または 2枚組み合わせた複
屈折効果が大きい状態と小さい状態の 2状態を切り替え
る表示モードの液晶表示装置などにも応用できる。

【００３０】また、視認方向から見て背面側の液晶表示
素子基板を、例えば黒色の染料等で着色してもよい。こ
の場合、白地に黒画像の、良好な直視型の表示を得るこ
とができる。

【００３１】また、赤、青、緑のモザイク状カラーフィ
ルタなどを用いることにより、カラー表示を可能とする
こともできる。

【００３２】

【作用】本発明の液晶表示装置においては、少なくとも
第１の電極または第２の電極のうちいずれかに穿設され
た円形の穴の内側に、その周囲の電極との電気的な接続
を避けて島状に形成された導電部が形成されている。

【００３３】この導電部は、第１の電極または第２の電
極に対して接続されておらず電気的にフローティングで
あるが、その周辺の電位からの誘導によって一定の電位
を持つ。そしてセル中の電界はこの導電部と周辺の電極
および対向する電極との間の電位の相関により形成され
る。即ち、導電部が配設されたことによって、この導電
部と周辺の電極との間に形成される電界の横方向成分が
大きくなる。

【００３４】従来の単純な円形の穴を有する液晶レンズ
効果を用いた液晶表示装置の場合では、表示を行なうた
めの液晶レンズの光散乱作用を、対向する電極間の電界
の横方向成分だけで行なうようにしていたので、そのよ
うな電界の横方向成分がさほど大きくないために光散乱
作用がさほど大きくなかった。これに比較して本発明に
係る液晶表示装置の場合では、前述のような電界の横方
向成分に沿って液晶が配向し、この液晶の配向により従
来の単純な円形の穴の場合に比較して広い領域にわたっ
て光が散乱される。その結果、表示画像のコントラスト
比を大きくすることができる。

【００３５】

【実施例】以下、本発明の液晶表示装置の実施例を詳細
に説明する。

【００３６】（実施例１）図１は、本発明の第１の実施
例に係る液晶表示装置の一画素部分を抜き出して示す図
である。

【００３７】本発明の液晶表示装置は、ＩＴＯからなる
第１の電極１が配設された第１の基板３と、Ａｌからな
る第２の電極５が配設された第２の基板７と、これら両
基板３、７の間に挟持された、正の誘電異方性を持つネ
マティック型の屈折率異方性の大きな液晶９（ZLI-392
6；メルクジャパン製、△n=0.2030）とを有し、両基板
３、７の周辺がエポキシ系の接着剤（図示省略）で封止
された液晶表示素子１１と、この液晶表示素子１１を駆
動させるために第１の電極１および第２の電極５に接続
される液晶駆動回路１３とを具備している。

【００３８】液晶表示素子１１の液晶層の厚さ（セルギ
ャップ）は、スペーサ（図示省略）により約 7μｍに保
持されている。

【００３９】第２の電極５には、ほぼ円形のパターンの
穴１５が複数形成されている。この穴１５の直径は約50
μｍで、穴１５の密度は 200個／ｍｍ² である。これら
複数の穴１５の内側には、第２の電極５との電気的接続
を避けて島状にパターニングされたＩＴＯからなる直径
約10μｍの円形の導電部１７が配設されている。

【００４０】この第２の電極５は遮光性を有するＡｌ膜
から形成されているので、穴１５が配設された部分以外
は常に遮光される。

【００４１】一方の第１の電極１は、全面連続した形状
のＩＴＯからなる透明電極であり、第２の電極５に対向
配置される。

【００４２】これら第１の電極１および第２の電極５の
表面にはそれぞれ配向膜（図示省略）としてオプトマー
AL-1051 （日本合成ゴム（株）製）が塗布され、それぞ
れラビング処理が施されている。

【００４３】そして第１の電極１と第２の電極５とに 0
〜10Ｖの電圧を印加してこの液晶表示素子１１を駆動す
る液晶駆動回路１３が第１の電極１および第２の電極５
に接続されている。

【００４４】本発明に係る液晶表示装置は、上述のよう
に円形の穴１５の内側に、島状に形成された導電部１７
が形成されている。この導電部１７は、周囲の第２の電
極５および対向する第１の電極１に対して接続されてい
ない形状なので電気的にフローティングになっており、
その周辺の電位からの誘導によって一定の電位を持つ。
そして液晶セル中の電界は、この導電部１７と第２の電
極５の穴１５の周辺との間の電位、この導電部１７と対
向する第１の電極１との間の電位、および第１の電極１
と第２の電極５との間の電位の相関により形成される。

【００４５】図２に示すように、この導電部１７によっ
て穴１５の周辺の第２の電極５との間に形成される横方
向の電界１９が大きくなる。このような横方向の電界１
９に沿って液晶９が配向し、この液晶９の配向により、
図２（ｂ）に斜線を付して光散乱領域２１を示すよう
に、単純な円形の穴１５だけを設けた従来の液晶表示装
置の場合よりも格段に広い領域にわたって光が散乱され
る。その結果、表示画像のコントラスト比を大きくする
ことができる。

【００４６】このような液晶表示装置の光透過率−印加
電圧特性を検証するために、液晶表示装置に He-Ne（ヘ
リウム−ネオン）レーザー光を入射させてその透過率を
測定した。

【００４７】レーザー光のスポット径は 2ｍｍとし、透
過したレーザー光は液晶表示装置の表示パネル面から20
ｃｍの距離のところに配置したフォトダイオードにより
検出した。

【００４８】この実験によれば、本発明に係る第１の実
施例の液晶表示装置は、電圧を印加しない状態での光透
過率が約85％であり、良好な光透過状態を示していた。

【００４９】次に、交流70Ｈｚの印加電圧を 0Ｖから徐
々に10Ｖまで増加し、さらに10Ｖから徐々に 0Ｖまで減
少させていった。このときの光透過率−印加電圧曲線を
図３に示す。10Ｖの電圧を印加した状態では光透過率が
約0.62％となり、良好な光散乱効果が実現されることが
確認された。またコントラスト比は 137： 1となり、光
透過率が高くかつ高コントラストの表示を得ることがで
きた。

【００５０】また、電圧を徐々に増加させていくと光透
過率は徐々に減少し、電圧を徐々に減少させていくと光
透過率は徐々に増加した。このとき光透過率−印加電圧
特性にヒステリシスが存在していないことが確認され
た。

【００５１】（実施例２）第１の実施例の液晶表示装置
において、液晶９として第１の実施例とは異なり屈折率
異方性の小さなZLI-1565（メルクジャパン製）に 2色性
黒色系染料（三井東圧化学（株）製 S-304）を 1.3ｗｔ
％混入したものを用い、その他の構成は第１の実施例と
同様の構成とした液晶表示装置を用意して、第１の実施
例と同様の実験を行なった。

【００５２】このような実験によれば、第２の実施例の
液晶表示装置は、電圧を印加しない状態での光透過率が
約40％であった。次に交流70Ｈｚの印加電圧を 0Ｖから
徐々に10Ｖまで増加し、さらに10Ｖから徐々に 0Ｖまで
減少させていった。このとき、10Ｖの電圧を印加した状
態では光透過率が約0.56％となり、良好な光散乱効果が
実現されることが確認された。またこのときコントラス
ト比は71： 1となり、光透過率が高くかつ高コントラス
トの表示を実現できることが確認された。

【００５３】また、コントラスト比30： 1以上の視角範
囲は上下左右とも±60度であり、視野角が極めて広く、
良好な視角特性を有していることが確認された。

【００５４】この第２の実施例の液晶表示装置の場合、
白地に黒の良好な直視型の表示が得られる。

【００５５】（実施例３）第１の実施例の液晶表示装置
における 2枚の基板３、７上の第１の電極１と第２の電
極５との両方に円形の穴およびその穴の内側に島状の導
電部１７を設け、第２の実施例の液晶表示装置を作成し
た。

【００５６】このような第２の実施例に係る液晶表示装
置の光透過率−印加電圧特性を測定したところ、印加電
圧が 0Ｖと 5Ｖの時のコントラスト比は 320： 1であ
り、第１の実施例よりもさらに高いコントラスト比が実
現できることが確認された。

【００５７】（比較例）第１の実施例の液晶表示装置に
用いたような第２の電極５の穴１５の内側に設けていた
導電部１７を取り去り、従来の液晶表示装置と同様の構
成の液晶表示装置とし、これを比較例として用いて第１
の実施例と同様の実験を行なった。

【００５８】このような本比較例の液晶表示装置の光透
過率−印加電圧特性を測定したところ、印加電圧が 0Ｖ
と 5Ｖのときにコントラスト比は69： 1となった。この
実験から、本発明に係る液晶表示装置と比較して低いコ
ントラスト比となることが確認された。

【００５９】なお、上記の実施例においては、穴１５の
直径約50μｍ、穴１５の密度 200個／ｍｍ² という設定
に対して、導電部１７をＩＴＯからなる直径約10μｍの
ほぼ円形の島状パターンとしたが、これには限定しな
い。上記のような穴１５および液晶表示装置の設定に対
して、導電部１７は 2〜 3μｍ程度以上の大きさであれ
ば、十分な効果が得られることを、本発明者らは確認し
ている。

【００６０】また、上記の第３の実施例においては、第
１の電極１と第２の電極５との両方に円形の穴１５およ
びその穴１５の内側に島状の導電部１７を設けている
が、第１の電極１と第２の電極５との両方の穴１５の位
置が重ならないように、両方の穴１５の位置をずらせて
配置すれば、さらに効果的である。

【００６１】また、本発明に係る液晶表示装置は、赤、
青、緑のモザイク状カラーフィルタなどを用いることに
より、カラー表示を行なうようにすることもできる。

【００６２】また、本発明の技術は、液晶表示素子の駆
動方式としては、スタティック駆動方式や、単純マルチ
プレクス駆動方式や、アクティブマトリクス駆動方式な
どに応用することができる。

【００６３】また、液晶表示装置としては、背面に光源
を配置した透過型や、反射板を配置した反射型、あるい
はその中間的な透過反射型などでもよい。あるいは、投
射レンズやズーム機構等を備えた投射型液晶表示装置に
も応用することができ、この場合、高透過率という本発
明の液晶表示装置の特長が活用できるので、一層好適で
ある。

【００６４】

【発明の効果】以上、詳細な説明で明示したように、本
発明によれば、高い光透過率や大きな視野角や高いコン
トラスト特性を実現し、かつ動作電圧が低く抑えられた
液晶表示素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の液晶表示装置の一画素部分を抜き出
して示す図。

【図２】 本発明の液晶表示装置におけるセル中の電界
分布および光散乱領域を示す図。

【図３】 本発明の液晶表示装置の光透過率−印加電圧
特性を示す図。

【図４】 従来の円形穴を利用した液晶表示装置のセル
内を示す図。

【図５】 従来の円形穴を利用した液晶表示装置の光散
乱領域を示す図。

【符号の説明】

１…第１の電極 ３、７…基板 ５…第２の電極 ９…液晶 １１…液晶表示素子 １３…液晶駆動回路 １５…穴 １７…導電部 １９…横方向成分の電界 ２１…光散乱領域

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の電極を有する第１の基板と、第２
   の電極を有する第２の基板と、前記第１の基板と前記第
   ２の基板との間に挟持される液晶組成物と、前記液晶組
   成物に液晶駆動電圧を印加する液晶駆動電圧印加手段と
   を有し、前記第１の電極および前記第２の電極のうち少
   なくとも一方の電極に複数の円形の穴が穿設された液晶
   表示装置において、 前記穴の内側に前記電極との電気的な接続を避けて島状
   に形成された導電部を具備することを特徴とする液晶表
   示装置。