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JP2784205B2 - 透過型液晶表示装置 - Google Patents

透過型液晶表示装置

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Publication number
JP2784205B2
JP2784205B2 JP1092926A JP9292689A JP2784205B2 JP 2784205 B2 JP2784205 B2 JP 2784205B2 JP 1092926 A JP1092926 A JP 1092926A JP 9292689 A JP9292689 A JP 9292689A JP 2784205 B2 JP2784205 B2 JP 2784205B2
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JP
Japan
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liquid crystal
light
layer
angle
light source
Prior art date
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JP1092926A
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和夫 浅野
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Konica Minolta Inc
Original Assignee
Konica Minolta Inc
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Publication date
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Priority to EP90303872A priority patent/EP0392811B1/en
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Priority to DE90303872T priority patent/DE69005505D1/de
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    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
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    • G02F1/1397—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent the liquid crystal being selectively controlled between a twisted state and a non-twisted state, e.g. TN-LC cell the twist being substantially higher than 90°, e.g. STN-, SBE-, OMI-LC cells
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    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、各種のディスプレイ装置に適用されるノー
マリーオープン表示モードを採用した透過型液晶表示装
置に関する。
〔技術の背景〕
従来、高デューティ比のマルチプレックス駆動におい
て高コントラストで大容量の表示が可能な液晶表示装置
として、SBE（Supertwisted Birefringence Effect）タ
イプの液晶表示装置が開示されている。
しかし、このSBEタイプの液晶表示装置は、複屈折効
果を利用しているために表示画像部および背景部が特定
の色に着色するという欠点があり、そのため、表示品
質が劣る、色彩に対するユーザーの好みに対応できな
い、カラー表示が困難である、等の問題があった。
しかるに、斯かる着色の問題を解決して明瞭な白黒表
示を達成する技術として、下記の技術が提案された。
（１）一方の液晶セルに、液晶層の液晶分子のねじれ方
向が逆である他方の液晶セルを重ね合わせて２層セル構
造とし、当該他方の液晶セルを光学補償板として用いる
ことにより着色を防止する２層セル方式（日経マイクロ
デバイス,1987年10月号P84〜88参照）。
（２）上記２層セル方式の光学補償用液晶セルの代わり
に複屈折性を有する高分子フィルムからなる位相板を用
いることにより着色を防止する位相板方式。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、上記技術（１）の２層セル方式においては、
１つの液晶セルのみにより装置を構成する場合に比して
製造コストが高くなり、しかも重量が増大し、また２つ
の液晶セルの厚さを均一化することを効率よく行うこと
が難しく、そのために均一な表示特性を有する液晶表示
装置を量産することが困難である。
また、上記技術（２）の位相板方式においては、位相
板の複屈折性を大面積で均一に制御することが困難で色
ムラを生じやすい。また、表示用の液晶セルの複屈折性
を完全に補償することが困難であり、着色を十分に防止
することができない。
さらに、近年、表示画素数の多い大容量の液晶表示装
置が望まれており、さらに高いデューティ比で駆動する
ために、電圧に対する透過光強度の変化をより急峻にす
る必要がある。そのためにはプレティルト角をより高く
して、ねじれ角を大きく設定することが有効である。
しかし、上記の２層セル方式、位相板方式において
は、オフ電圧印加時が光非透過状態でオン電圧印加時が
光透過状態となるノーマリークローズド表示方式を採用
しているため、プレティルト角を高くすると、第１図に
示すように、オフ電圧印加時に漏れ光量が増加してコン
トラストが低下する欠点がある。
一方、１層セルでノーマリーオープン表示モードで、
Δｎ・ｄおよび偏光板のずれ角を最適に設定することに
より無彩色性の良好な液晶表示装置を得る方法が、特開
昭63-274927号公報に開示された。しかし、この方法で
は、Δｎ・ｄを小さく設定しているため、表示が暗くな
ること、および20以下の低いコントラストしか得られな
いという問題がある。
本発明は以上の如き事情に基づいてなされたものであ
って、その目的は、高デューティ比のマルチプレックス
駆動において高コントラストでかつ着色のない無彩色性
の優れた表示を実現することができる透過型液晶表示装
置を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するため、本発明は、対向して配置さ
れた各々配向層を有する一対の電極基板間に、旋光性物
質を添加した正の誘電率異方性を有するネマチック液晶
が220°から300°の範囲内のねじれ構造を形成して配置
された液晶層を備えた液晶セルと、当該液晶セルの前後
に配置された一対の偏光板と、背面側の偏光板の裏面側
に配置された背面光源とを有してなる透過型液晶表示装
置において、 （ａ）ネマチック液晶の屈折率異方性の大きさΔｎと、
液晶層の厚さｄ（μｍ）との積Δｎ・ｄが0.75〜0.90μ
ｍであり、 （ｂ）ねじれ角αとの関係において、一対の偏光板の偏
光軸と、当該偏光板のそれぞれに隣接する電極基板の配
向処理方向とのなす角度（ずれ角）βおよびγが下記式
およびを満足し、 式 α＋β−γ−180°＝90°−δ （０°＜δ＜30°） 式 β＋γ＝＋90°または−90° （ｃ）電極基板面に接する液晶分子のダイレクタ方向と
当該電極基板面とのなす角度（プレティルト角）θ０が
10°以上であり、 （ｄ）背面光源の赤色光の発光強度が緑色光および青色
光の発光強度の1.2倍以上であり、 （ｅ）背面光源の発光輝度が200cd/cm2以上であること
を特徴とする。
また、電極基板の非画素領域に遮光層を設けることが
好ましい。
また、少なくとも３色のカラーフィルターが各画素に
対応して形成されていることが好ましい。
〔作用〕
請求項１の発明によれば、偏光板のずれ角βおよびγ
が特定の範囲にあるので、第２図に示すように、オフ電
圧印加時に光透過状態となりオン電圧印加時に光非透過
状態となるノーマリーオープン表示モードとなり、プレ
ティルト角θ０を10°以上と高く設定して高デューティ
比でマルチプレックス駆動する際に、漏れ光によるコン
トラストの低下が生ぜず、コントラストが十分に高くな
る。その結果、高デューティ比のマルチプレックス駆動
において高コントラストで大容量の表示が可能となる。
また、Δｎ・ｄおよび偏光板のずれ角βおよびγが特
定の範囲であり、しかも、背面光源が、赤色光の発光強
度が緑色光および青色光の発光強度の1.2倍以上である
ものであるので、オフ電圧印加時の液晶セルの透過スペ
クトルは優れた無彩色性を示すようになる。
また、背面光源の発光輝度が200cd/m2以上であるの
で、液晶セルの前面から入射した光の反射光による悪影
響を受けることがなく、着色を十分に防止することがで
きる。
請求項２の発明によれば、電極基板の非画素領域に遮
光層を設けたので、ノーマリーオープン表示モードにお
いて、非画素領域からの漏れ光がなくなり、表示画面の
全体のコントラストをさらに高くすることができる。
請求項３の発明によれば、少なくとも３色のカラーフ
ィルターが各画素に対応して形成されているので、色純
度の高いカラー表示が可能となる。
〔発明の具体的内容〕
以下、本発明を具体的に説明する。
本発明の透過型液晶表示装置は、基本的には、第３図
に示すように、対向して配置された各々配向層を有する
一対の電極基板11,12間に、旋光性物質を添加した正の
誘電率異方性を有するネマチック液晶が特定の範囲内の
ねじれ構造を形成して配置された液晶層13を備えた液晶
セル10と、当該液晶セル10の前後に配置された一対の偏
光板21,22と、背面側の偏光板22の裏面側に配置された
背面光源30とを備えてなる。11A,12Aは透明基板、11B,1
2Bは電極層、11C,12Cは配向層、41は駆動用回路であ
る。
本発明においては、旋光性物質を添加した正の誘電率
異方性を有するネマチック液晶のねじれ角αは、220°
〜300°の範囲内であり、さらに好ましくは250°〜270
°である。斯かる条件を満足することにより、電圧変化
に対する透過光強度の変化が急峻となる。なお、ねじれ
角αが過小であると当該透過光強度の変化が緩慢とな
り、コントラストが低下する。一方、ねじれ角αが過大
であるとオン・オフの切換え時に液晶分子の配向の乱れ
が生じ、表示品質が低下する。また、ねじれ角αが250
°〜270°の範囲においては、オン電圧印加時の漏れ光
量を最小に抑えることができ、最もコントラストが高く
なる。
このねじれ角αは、一対の電極基板のそれぞれに形成
される配向層の配向処理方向、ネマチック液晶およびこ
れに添加される旋光性物質の種類、量等によって規定す
ることができる。なお、ネマチック液晶のねじれ方向
は、入射光の進行方向に対して左回りまたは右回りのい
ずれでもよい。
（ａ）本発明においては、ネマチック液晶の屈折率異方
性の大きさΔｎと、液晶層の厚さｄ（μｍ）との積Δｎ
・ｄは、0.75〜0.90μｍである。Δｎ・ｄがこの範囲に
あれば、着色防止に有効に寄与するうえ、可視光波長域
の全体における光の透過率を十分に高くでき、高コント
ラストの表示が可能となる。
詳しく説明すると、従来のSBEタイプの液晶セルの透
過スペクトルには、第４図に示すように、可視光波長域
の短波長側に光をほとんど透過しない非透過波長域Ａが
あり、この非透過波長域Ａは、Δｎ・ｄを小さくすると
短波長側にシフトする。しかし、Δｎ・ｄが過小になる
と、可視光波長域（400〜700nm）における全体の光の透
過率が低くなって光透過状態における明るさが不十分と
なる。従って、Δｎ・ｄは、0.75〜0.90μｍであること
が必要である。
なお、Δｎ・ｄの最適値は、オフ電圧印加時の液晶の
平均ティルト角θOFFとの関係から得られ、平均ティル
ト角θOFFが高くなる程、Δｎ・ｄの最適値は大きくな
る。実験の結果、 Δｎ・ｄ・cos2θOFF0.68±0.05μｍ の関係を満たすときに良好な表示特性が得られること
がわかった。ここで、Δｎは旋光性物質を添加したネマ
チック液晶の屈折率異方性の大きさであるが、添加され
る旋光性物質の量は一般に５重量％以下であるので、Δ
ｎとして旋光性物質添加前のネマチック液晶の屈折率異
方性の大きさを用いてもよい。また、平均ティルト角θ
OFFとは、オフ電圧印加時の液晶分子のダイレクタ方向
と電極基板面とのなす角度の液晶層の厚さ方向における
平均値をいう。この平均ティルト角θOFFは配向層の種
類、プレティルト角、ネマチック液晶の物性および印加
電圧に依存する値である。
第15図は、「ZLI-2293」（メルク社製）と「CR-400
8」（チッソ社製）の２種類の液晶について、1/100デュ
ーティ比のマルチプレックス駆動のオフ電圧とオン電圧
を印加したときの液晶の平均ティルト角とプレティルト
角θ０との関係を示したものである。曲線Ｅが「ZLI-22
93」の結果を表し、曲線Ｆが「CR-4008」の結果を表わ
す。プレティルト角θ０が大きくなるにつれて、オフ電
圧印加時の液晶の平均ティルト角θOFFは大きくなるの
でプレティルト角θ０が高くなる程Δｎ・ｄの最適値は
大きくなる。
（ｂ）本発明においては、ねじれ角αとの関係におい
て、一対の偏光板の偏光軸と、当該偏光板のそれぞれに
隣接する電極基板の配向処理方向とのなす角度（ずれ
角）βおよびγは、下記式およびを満足するもので
ある。
式 α＋β−γ−180°＝90°−δ （０°＜δ＜30°） 式 β＋γ＝＋90°または−90° ずれ角βおよびγをこのような範囲に設定することに
より、漏れ光の少ないノーマリーオープン表示モードと
することができる。漏れ光が少ないため、赤、緑、青の
３色カラーフィルターを組合せてカラー表示する場合に
は、色純度の高い表示が可能となる。
詳しく説明すると、ねじれ構造のネマチック液晶層を
備えた液晶セルと一対の偏光板とを組合せる場合に、当
該液晶層のねじれ角αとの関係において、一方の偏光板
のずれ角βを固定したときに、光非透過状態における透
過率を極小にするときの他方の偏光板のずれ角γは上記
式により決定することができる。すなわち、上記式
においてねじれ角αとの関係においてずれ角βおよびγ
を選定することにより、光非透過状態における漏れ光を
小さくできる。このδの値は、光非透過状態におけるネ
マチック液晶層中の液晶分子の平均ティルト角θONに依
存し、この平均ティルト角θONが90°に近づくとδの値
は０°に近づく。なお、平均ティルト角θONとは、オン
電圧印加時の液晶分子のダイレクタ方向と電極基板面と
のなす角度の液晶層の厚さ方向における平均値をいう。
上記式において、左辺は一対の偏光板の偏光軸同士
のなす角度に等しい。従って、オン電圧印加時に液晶層
中の液晶分子が完全に電界方向に配向したなら（θON＝
90°）、式の左辺が90°に等しいとき光非透過状態の
漏れ光は最小になる。しかし、実際にはオン電圧を印加
した時、液晶層中の液晶分子は完全に垂直には立上がっ
ておらず（θON＜90°）、そのために液晶層は入射光に
対し若干のリターデーションを示す。光非透過状態の漏
れ光を最小にするためにはこのリターデーションによる
旋光効果を打ち消すために、式の左辺の値を平均ティ
ルト角θONに応じた補正角δだけ90°からずらさなけれ
ばならない。ずらす方向は、δが正の方向でなければな
らない。
第５図に、δの値と、オン電圧印加時の平均ティルト
角θONとの関係を示す。同図において、実線はΔｎ・ｄ
が0.77μｍのときのオン電圧印加時の平均ティルト角θ
ONとδの値との関係を示しており、破線はΔｎ・ｄが0.
65〜0.90μｍの範囲で上記関係が変位する範囲を示して
いる。
なお、平均ティルト角θONは実測することは難しいが
液晶セルの示すリターデーションを測定することにより
推定することができる。第15図では２種類の液晶につい
て、平均ティルト角θONとプレティルト角θ０の関係を
示しているが、プレティルト角θ０が高くなる程、平均
ティルト角θONも高くなる。
また、下記式に従ってずれ角βを設定することによ
り、光非透過状態における漏れ光をさらに小さくしてコ
ントラストを一層高くすることができる。
しかして、実際に1/100デューティ比でマルチプレッ
クス駆動を行い、そのコントラストを30以上とするため
には、駆動電圧に対して液晶配向状態が若干の双安定現
象を示すことが必要である。
ここで「双安定現象」とは、第６図に示すように、駆
動電圧のしきい値電圧Vthにおいてオフ状態配向領域か
らオン状態配向領域へのディスクリネーションの移動を
伴う配向状態の遷移が観測される現象をいう。この双安
定現象が起こるときには、駆動電圧に対する透過光強度
がしきい値電圧Vthを境にして急激に変化する。
そして、駆動電圧に対して液晶配向状態が若干の双安
定現象を示すためには、ネマチック液晶層におけるねじ
れ構造のねじれ角αが220°以上であることが必要であ
る。しかし、このねじれ角αが過大になると、第７図に
示すように、双安定現象が大きくなって駆動電圧に対す
る透過光強度の変化がヒステリシス現象を示し、その結
果マルチプレックス駆動において駆動電圧のオン・オフ
に対する表示画面の光非透過状態・光透過状態の応答速
度が遅くなる。従って、当該応答速度を速くするために
は、ねじれ角αは300°以下であることが必要である。
そして、光透過状態の明るさは、ねじれ角αが270°
‐δの付近にあるときに最大となる。従って、そのよう
なねじれ角αを選択した場合には、さらにコントラスト
を高くすることができる。
上記式のδの値は、配向層の種類と液晶の物性値と
によりその値が定まるが、同一の液晶に対しては、プレ
ティルト角θ０を大きくするに従ってδは小さくなる。
そして、このδが小さくなるに従って光非透過状態の漏
れ光量が小さくなる。δの値が大きい液晶セルでは光非
透過状態の漏れ光が大きく、δの値が30°を超える液晶
セルでは他のパラメータを最適値に設定しても十分なコ
ントラストを得ることができない。プレティルト角θ０
が10°以上である場合には、δの値は、０°＜δ＜30°
の範囲に入る。なお、このδの値は、液晶セルの双安定
現象が大きくなるに従って小さくなる。
しかして、δの値は、配向層の種類と液晶との組合せ
に依存するので、その組合せごとに最適なδを決定する
必要がある。
具体的には、次のようにして決定することができる。
すなわち、一対の偏光板のずれ角の初期値を β＝（360°‐α）/2 γ＝（α‐180°）/2 に設定する。
次いで、βおよびγを上記初期値から下記式のように
して徐々に変化させながら、光非透過状態の漏れ光の強
度を測定し、当該強度が最小となるときのωの値ω０を
求める。
β＝（360°‐α）/2−ω γ＝（α‐180°）/2＋ω 前記式から理解されるように、上記ω０が、δ/2に
相当するので、これよりδの値を決定することができ
る。
このようにして、一旦、δの値が決定されると、この
δの値を用いて、上記式により、βおよびγの任意の
最適な組合せを見出すことができる。
なお、δの値に基づいて上記式およびによりずれ
角βおよびγの一組の最適設定値を決定すると、その設
定値において最大のコントラストが得られるが、この最
適設定値の近傍においても十分に高いコントラストが得
られる。しかし、ずれ角βおよびγの設定値の最適設定
値からのずれに対するコントラスト値の変化は急激であ
り、ずれ角βおよびγの設定値が、それぞれの最適設定
値から±５°以上ずれると十分なコントラストが得られ
なくなる。
ここで、オン電圧とは、1/Nデューティ比のマルチプ
レックス駆動におけるオン・オフ実効値電圧比 に対応するオン電圧VONで、かつ、表示画面の光透過状
態から光非透過状態へのスイッチング応答時間tONと、
光非透過状態から光透過状態へのスイッチング応答時間
tOFFとが等しくなるときのオン電圧をいう。
（ｃ）本発明においては、電極基板面に接する液晶分子
のダイレクタ方向と当該電極基板面とのなす角度（プレ
ティルト角）θ０が10°以上、好ましくは25°以上であ
る。
すなわち、オン電圧印加時の光非透過状態の漏れ光量
は、プレティルト角θ０に依存する。従って、漏れ光量
を小さく抑制するためにはプレティルト角θ０を10°以
上とすることが必要である。このプレティルト角θ０が
10°以上であることにより、光非透過状態における漏れ
光量を十分小さく抑制でき、実際に1/100デューティ比
のマルチプレックス駆動においてコントラストを30以上
とすることができる。
第８図は、1/100デューティ比のマルチプレックス駆
動における、プレティルト角θ０とコントラストとの関
係の実測値を示す。同図において、曲線Ａが、ネマチッ
ク液晶「ZLI-2293」（メルク社製）を用いてΔｎ・ｄを
0.79μｍに設定したときの実測値を表し、曲線Ｂが、ネ
マチック液晶「CR-4008」（チッソ社製）を用いてΔｎ
・ｄを0.83μｍに設定したときの実測値を表す。この第
８図から理解されるように、プレティルト角θ０が10°
以上、好ましくは25°以上であれば、漏れ光が少なくて
高コントラストが得られる。
第９図は、1/100デューティ比のマルチプレックス駆
動における、プレティルト角θ０と明るさの関係の実測
値を示す。同図において、曲線Ｃが、ネマチック液晶
「ZLI-2293」（メルク社製）を用いてΔｎ・ｄを0.79μ
ｍに設定したときの実測値を表し、曲線Ｄが、ネマチッ
ク液晶「CR-4008」（チッソ社製）を用いてΔｎ・ｄを
0.83μｍに設定したときの実測値を表す。この第９図か
ら理解されるように、プレティルト角θ０が10°以上、
好ましくは25°以上であれば、十分に明るくて高コント
ラストが得られる。
（ｄ）本発明においては、背面光源は、その赤色光の発
光強度が緑色光および青色光の発光強度の1.2倍以上で
あり、好ましくは1.5〜2.5倍である。背面光源の発光ス
ペクトルをこのように補正して、赤色光の発光強度を高
くすることにより、結果として液晶セルの透過スペクト
ルを十分に平坦化することができ、無彩色性の優れた表
示が可能となる。これに対して、ずれ角βおよびγのみ
によって透過スペクトルを完全に平坦化することは困難
である。すなわち、従来の背面光源を用いた場合には、
オン−オフのコントラストは高いが、第10図に示すよう
に、オフ電圧印加時の液晶セルの透過スペクトルにおい
ては、赤色光波長領域の透過率が低いために透過光は青
みを帯び、着色を十分に防止することは困難である。
なお、本発明において、「赤色光」とは約580〜700nm
の波長域の光をいい、「緑色光」とは約480〜580nmの波
長域の光をいい、「青色光」とは約400〜480nmの波長域
の光をいう。
本発明に用いることのできる背面光源の発光源として
は、冷陰極型蛍光管、熱陰極型蛍光管、エレクトロルミ
ネッセンスランプ等を用いたものが挙げられるが、発光
輝度、温度、寿命の点から特に冷陰極型蛍光管を用いた
ものが好ましい。また背面光源の形態としては、面発光
型、第16図（ａ）に示すような導光板を用いたタイプ、
第16図（ｂ）に示すような反射拡散型のタイプ等の形態
を採用することができる。なお、これらの図において、
60は管状発光源、61は導光板、62は反射板、63は光散乱
板である。
背面光源の赤色光の発光強度を高くする方法として
は、赤色光の発光強度の大きい発光源を用いてもよい
し、背面光源の表面に赤色光と緑色光および青色光との
発光強度比を調節するフィルターを設けてもよい。
（ｅ）本発明においては、背面光源は、その発光輝度が
200cd/m2以上であり、好ましくは400cd/m2以上である。
このように発光輝度の高い背面光源を用いることによ
り、液晶セルの前面から入射した光の反射光による悪影
響を防止して、無彩色性の優れた表示が可能となる。こ
れに対して、背面光源の発光輝度が200cd/m2未満の場合
には、通常の室内照明下において液晶セルの前面から入
射した光の液晶セルの背面および背面光源の表面からの
反射光により、反射型モードのような着色が発生し、無
彩色性の優れた表示が困難となる。なお、上限について
は、光源の発熱による液晶の性能への影響が出ない限り
特に規定されない。
なお、背面光源として発光輝度の高いものを用いる場
合、消費電力が大きくなる欠点があるので、偏光板を含
む液晶セルの光透過率を高くして、背面光源の必要輝度
をできるだけ抑えることが好ましい。本発明において
は、Δｎ・ｄ、偏光板のずれ角βおよびγが特定の範囲
に設定されているため、偏光板を含む液晶セルの光透過
率はルミナンス値で20％以上を確保できるので背面光源
の必要輝度を低く抑えることができる。
さらに、本発明においては高いコントラストを得るた
めに、偏光板の偏光度は95％以上、好ましくは99％以上
である。偏光板の偏光度が低いと偏光板のずれ角を最適
に設定してもオン電圧印加時の漏れ光量が大きく高いコ
ントラストが得られない。
本発明においては、さらに以下の条件を満足すること
が好ましい。
（ｆ）旋光性物質を添加した状態のネマチック液晶の自
発ねじれピッチPSと、配向層によりねじれ構造が強制的
に規制されたときの液晶層の規制ねじれピッチPCが、下
記式を満足することが好ましい。
−0.1＜（PC−PS）／PS＜0.3 （ｇ）ネマチック液晶におけるスプレイ弾性定数k11ま
たはツイスト弾性定数k22と、ベンド弾性定数k33とが下
記式（１）または（２）の少なくとも一方を満足するこ
とが好ましい。
式（１）;1.8＜k33／k22＜2.8 式（２）;0.9＜k33／k11＜1.5 （ｈ）ネマチック液晶における誘電率異方性Δεおよび
液晶分子長軸方向に直角方向の誘電率ε⊥の比Δε／ε
⊥が1.8以上であること。
斯かる好ましい条件（ｆ）〜（ｈ）を満足することに
より、双安定現象を小さく抑制して、マルチプレックス
駆動において駆動電圧のオン・オフに対する表示画面の
光非透過状態・光透過状態の応答速度をさらに速くする
ことが可能となる。
（ｉ）液晶のネマチック液晶相から等方性液体への転移
温度TNIが90℃以上であることが好ましい。斯かる好ま
しい条件を満足することにより、液晶表示装置の通常の
使用温度範囲内において、表示色、駆動電圧、応答速度
等の温度変化に起因する変動を小さく抑制することが可
能となり、その結果信頼性の高い液晶表示装置を得るこ
とが可能となる。
（ｊ）ネマチック液晶の屈折率異方性の大きさΔｎは、
0.10以上であることが好ましく、さらには0.12以上0.20
以下であることが好ましい。斯かる好ましい条件を満足
することにより、液晶セルを薄くすることが可能とな
り、その結果オン・オフに要する時間がきわめて短くて
一層優れた応答特性を有する液晶表示装置を得ることが
できる。
（ｋ）ネマチック液晶の温度20℃における粘度ηは、30
cp以下であることが好ましい。斯かる条件を満足するこ
とにより、液晶セルのスイッチング時間をきわめて短く
することができ、一層優れた応答特性を有する液晶表示
装置を得ることができる。
なお、本発明においては、屈折率異方性の大きさΔ
ｎ、スプレイ弾性定数k11、ツイスト弾性定数k22、ベン
ド弾性定数k33、誘電率異方性Δε、誘電率ε⊥、転移
温度TNI、粘度ηは、いずれも旋光性物質を添加する前
の状態におけるネマチック液晶の物性値をいう。なお、
旋光性物質の添加量は微量であるため、添加後のネマチ
ック液晶の物性値は、添加前の物性値とほとんど変わら
ない。
また、プレティルト角θ０は、例えば磁界容量零位法
（J.Appl.Phys.48,1783（1977））により測定できる。
また、本発明において、ずれ角βとは光の入射側の偏
光板のずれ角をいい、ずれ角γとは光の出射側の偏光板
のずれ角をいう。そして、ずれ角とは、電極基板の表面
に接する液晶分子のダイレクタ方向（液晶分子の長軸が
優先的に配向している方向）の電極基板表面への射影方
向を基準として、当該電極基板側に配置された偏光板の
偏光軸方向（透過軸方向または吸収軸方向）のなす角度
をいう。なお、偏光板のずれ角βおよびγの値は、−90
°から＋90°の間の値で読むことにする。すなわち、例
えばずれ角β＝135°はずれ角β＝−45°に等しい。
ここで、電極基板の表面に接する液晶分子のダイレク
タ方向の電極基板表面への射影方向は、一般に電極基板
の配向層の配向処理方向に一致する。また、配向処理方
向とは、例えば配向処理が斜め蒸着法である場合には、
蒸着方向であり、配向処理がラビング法である場合には
ラビング方向をいう。
偏光板の偏光軸としては、透過軸、吸収軸のいずれを
とってもよいが、ずれ角βおよびγを、共に透過軸で規
定するか、共に吸収軸で規定することにより、オフ電圧
印加時に光透過状態となり、オン電圧印加時に光非透過
状態となるノーマリーオープン表示モードとなる。
なお、ずれ角βおよびγの符号は、第11図に示すよう
に、液晶分子のねじれ方向が入射光の進行方向に左回り
の場合には、電極基板の表面に接する液晶分子のダイレ
クタ方向から偏光軸方向に向かって時計回り方向を正に
とり、一方、第12図に示すように、液晶分子のねじれ方
向が入射光の進行方向に右回りの場合には、上記とは反
対に反時計回り方向を正にとる。
また、自発ねじれピッチPSとは、ネマティック液晶に
旋光性物質等を添加することにより生ずる液晶層の自然
のねじれ構造におけるピッチをいう。具体的には、第13
図に示すように、配向層51および52を有する電極基板53
および54を、配向層51および52が対向するようくさび状
に配置して液晶セル55を構成し、この液晶セル55内にネ
マチック液晶56を封入し、このとき液晶セル55面に生ず
るしま模様（1/2ピッチごとのディスクリネーションラ
イン）の間隔ｒと液晶層の厚さd1と液晶セル55の長さｌ
とを測定することにより、下記式によって求めることが
できる。
自発ねじれピッチPS＝２d1 r/l なお、57はスペーサ、58および59は偏光板であり、ま
た、配向層51および52はそれぞれ互いに平行方向の配向
処理がなされている。
また、規制ねじれピッチPCは、液晶表示装置の液晶層
の厚さｄと、ねじれ角αとにより、下記式によって定義
される。
規制ねじれピッチPC＝（360°／α）×ｄ また、k33／k22およびk33／k11は、一様に配向した液
晶セルに磁界を印加したときの当該液晶セルの電気容量
変化、または光学変化のしきい値から求める方法（H.Gr
uler,et al,Z.Naturforsch,279（1972）966）、一様に
配向した液晶セルに電界を印加したときの当該液晶セル
の電気容量変化から求める方法（H.Deuling,Mol.Cryst.
Liq.Cryst.19（1972）123）等の方法により測定するこ
とができる。
また、ここで用いる明るさとは、ルミナンスＹ値で表
した透過率の大きさで評価し、コントラスト値はオフ電
圧およびオン電圧を印加したときのルミナンス値YOFF,Y
ONの比YOFF／YONで評価する。
電極基板11,12を構成する透明基板11Aおよび12Aを構
成する材料としては、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラ
ス、石英ガラス等のガラス;1軸延伸ポリエチレンテレフ
タレート、ポリエーテルサルフォン、ポリビニルアルコ
ール等よりなるプラスチックシート等を用いることがで
きる。
電極11Bおよび12Bは、透明基板11Aおよび12Aの表面に
配置された例えばITO（スズとインジウムの酸化物）、
酸化スズ等よりなる透明電極により構成されている。
配向層11C,12Cを形成するための手段としては、特に
限定されず従来公知の種々の手段を採用することができ
る。本発明においては、プレティルト角θ０を10°以上
とすることが必要であるので、特に以下の手段が好まし
い。
（１）例えばSiO、MgO、MgF2等の蒸着物質を電極基板の
表面に斜めの角度から蒸着して当該表面を配向処理する
手段。
（２）例えば無極性長鎖をポリマー主鎖または側鎖に有
するイミド系、アミド系、ポリビニルアルコール系、フ
ェノキシ系等の高分子物質の被膜を電極基板の表面に形
成し、この被膜の表面を綿、ビニロン、テトロン、ナイ
ロン、レーヨン、炭素繊維等よりなる織布、植毛布、綿
状布等によって擦るラビング法により配向処理する手
段。
当該高分子物質としては、特に日産化学工業社製ポリ
イミド（品名:RN-369、RN-715、RN-729等）が好まし
い。
（３）例えばイミド系、アミド系、ポリビニルアルコー
ル系等の水平配向処理剤に、カルボン酸クロム錯体、有
機シラン化合物等の垂直配向処理剤を適量混合した配向
処理剤の被膜を電極基板の表面に形成し、この被膜の表
面をラビング法により配向処理する手段。
（４）ホトリソグラフィー、あるいは異方性エッチング
等の手段により電極基板の表面にグレーティング状の一
定方向の溝を形成し、液晶分子を配向させる手段。
（５）電極基板の表面をLB（Langmuir-Blodgett）膜を
形成することにより配向処理する手段。
また、本発明においては、電極基板の非画素領域に遮
光層を設けることが好ましい。非画素領域からの漏れ光
を防止することができるので、非画素領域をより暗くで
きコントラストをさらに高くすることができる。
斯かる遮光層は、クロム、ニッケル等の金属層、ゼラ
チン等の絶縁性バインダー中に黒化銀が分散含有されて
なる遮光層、絶縁性バインダー中に色素、顔料等が分散
含有されてなる遮光層等により構成することができる。
なお、上部の電極基板11および下部の電極基板12に
は、必要に応じてさらに絶縁層、誘電体層、アルカリイ
オン移動防止層、反射防止層、偏光層等を設けてもよ
い。
透明基板、電極層、配向層、その他の層、および偏光
板は背面光源からの光の入射強度を極力妨げないものを
用いることが好ましい。
また、本発明においては、少なくとも赤、緑、青の３
色のカラーフィルターが各画素に対応して形成されてい
てもよい。これにより色純度の高いカラー表示が可能と
なる。
斯かるカラーフィルターの形成手段としては、ゼラチ
ン等の絶縁性バインダー中にハロゲン化銀を分散含有さ
せてなる乳剤層を塗布し、これを銀塩写真法によりカラ
ー現像する方法を好ましく適用することができる。ま
た、染色法、印刷法、電着法等により、カラーフィルタ
ーを形成してもよい。
ネマチック液晶としては、特に限定されず種々の物質
を用いることができる。
なお、本発明に用いるネマチック液晶には、必要に応
じてスメクティック液晶、コレステリック液晶等が含有
されていてもよい。
ネマチック液晶に添加される旋光性物質としては、一
般にはカイラルネマティック液晶と呼ばれる、例えば下
記一般式で示される光学活性基を末端基として有するエ
ステル系、ビフェニル系、フェニルシクロヘキサン系ま
たはアゾ系等のネマティック液晶を用いることができ
る。
（ただし、R1,R2,R3は各々アルキル基または水素原子
であり、R1,R2,R3は互いに異なる。） また、ネマチック液晶に添加される旋光性物質とし
て、カイラルスメクティック液晶、コレステリック液晶
等を用いてもよい。
本発明に用いるネマチック液晶中に含有される旋光性
物質としては、ネマチック液晶への単位添加量当りの自
発ねじれピッチを十分に短くすることができるものであ
ることが好ましく、そのようなものを選択することによ
り、ネマチック液晶への旋光性物質の必要添加量を小さ
く抑制、好ましくは2.0重量％以下に抑制することがで
き、その結果旋光性物質の添加に起因して生ずるネマチ
ック液晶から等方性液体への転移温度TNIの低下を最小
限にとどめることができ、また自発ねじれピッチの温度
依存性を小さくすることができる。また、本発明におい
ては、自発ねじれピッチの温度依存性をより小さくする
ために、自発ねじれピッチの温度変化係数が互いに逆符
号である複数種の旋光性物質を組合せて用いてもよい。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明
はこれらの実施の態様に限定されるものではない。
第14図は、液晶セル10の概略図であり、上部の電極基
板11と下部の電極基板12とが間隙を介して対向配置され
ている。上部の電極基板11は、透明基板11Aの内側の表
面に電極層11Bおよび配向層11Cを有し、下部の電極基板
12は、透明基板12Aの内側の表面に電極層12Bおよび配向
層12Cを有してなる。非画素領域には遮光膜11D,12Dが形
成されている。
上部の電極基板11と下部の電極基板12との間の空間は
シール部15によってシールされ、液晶セル10が構成され
ている。液晶セル10の内部には、複数のスペーサ16がそ
れぞれ離間した状態で配置されると共に、旋光性物質を
添加した正の誘電率異方性を有するネマチック液晶が22
0°から300°の範囲内のねじれ構造を形成して配置さ
れ、これにより液晶層13が形成されている。
上部の電極基板11および下部の電極基板12の外側の表
面には、それぞれ正面の偏光板21および背面の偏光板22
が設けられている。
透明基板11Aおよび12Aは、ソーダガラスの表面を0.1
μｍ以下の平坦性をもつように研磨した後、表面にアル
カリイオン移動防止層としてSiO2層を形成したガラス基
板より成る。
電極層11Bおよび12Bは、透明基板11Aおよび12Aの表面
に配置された厚さ1500ÅのITO膜より成る透明電極によ
り構成されている。一方の電極層11Bを構成する透明電
極と他方の電極層12Bを構成する透明電極はそれぞれが
相互に直角をなすよう配置され、これによって、マトリ
ックス形表示の電極構造が構成されている。
遮光膜11D,12Dは、黒化銀が分散含有されたゼラチン
膜より構成されている。
背面側の偏光板22の裏面側には冷陰極型蛍光管に導光
板を組み合わせた第16図（ａ）の形の背面光源が設けら
れている。
＜実施例および比較例＞ 各実施例および比較例においては、後記第１表および
第２表に示した条件で、第14図に示した構成の液晶セル
を製造し、この液晶セルを用いて第３図に示した構成の
透過型液晶表示装置を作製した。
なお、正面の偏光板21および背面の偏光板22は「NPF-
G1220DU」（日東電工（株）製）により構成した。ま
た、スペーサ16はグラスファイバーにより構成し、シー
ル部15は「ストラクトボンドXN-5A-C」（三井東圧化学
（株）製）により構成した。
各実施例および比較例において使用した液晶の特性は
次の通りである。
CR-4008 k33／k22＝2.7 ,k33／k11＝1.1 Δε／ε⊥＝2.4 ,TNI＝97.4℃ Δｎ＝0.15, η＝20cp ZLI-2293 k33／k22＝2.5 ,k33／k11＝1.43 Δε／ε⊥＝2.43,TNI＝85℃ Δｎ＝0.132, η＝21cp ZLI-3275 k33／k22＝2.3 ,k33／k11＝1.19 Δε／ε⊥＝2.3 ,TNI＝91℃ Δｎ＝0.124, η＝20cp （評価） 各透過型液晶表示装置について、1/100デューティ比
のマルチプレックス駆動により実際に表示する試験を行
い、コントラスト、無彩色性、明るさを調べた。
なお、無彩色性の評価は、表示画面を目視により観察
して、着色がほとんど認められず明瞭な表示である場合
を「○」、着色が若干生じたが実用的には問題のない場
合を「△」、着色が顕著で劣っている場合を「×」とし
た。
以上の結果を後記第１表および第２表に併せて示す。
第１表および第２表の結果からも理解されるように、
本発明の透過型液晶表示装置によれば、高コントラスト
で無彩色性の優れた液晶表示を達成することができる。
これに対して、比較用の透過型液晶表示装置によれ
ば、コントラスト、無彩色性または明るさの点で劣って
いる。
比較例１ではΔｎ・ｄが0.65より小さいために実施例
１に比較して明るさで劣る。
比較例２ではΔｎ・ｄが0.90より大きいために背面光
源の発光強度比を調整しても実施例１に比較して無彩色
性が改善されない。
実施例３および４は実施例１に比べてプレティルト角
を小さくした例であり、プレティルト角が小さくなるほ
どコントラストが低くなるが、プレティルト角が10°以
上であるためコントラスト30以上を達成している。な
お、この二例においてはプレティルト角が小さくなるに
従い、Δｎ・ｄの値を小さくして最適化している。
比較例３ではプレティルト角が10°より小さいため
に、偏光板のずれ角を最適に設定してもδが30°より大
きくなり、実施例２と比較してコントラストにおいて劣
る。
比較例４ではプレティルト角が10°より小さく、Δｎ
・ｄが0.65より小さいために、（PC‐PS）／PSを負にし
て双安定性を増しても、実施例に比べてコントラスト、
明るさにおいて劣る。
実施例６は、実施例１に比べて背面光源の発光輝度を
小さくしているため無彩色性において劣るが、200cd/m2
以上であるため着色の程度は許容範囲内である。これに
対して比較例５では、背面光源の発光輝度が200cd/m2以
下であるため表示が青緑色に着色し無彩色性に劣る。
実施例７は、実施例１に比べて背面光源の発光強度比
における赤色光強度が弱いため無彩色性において劣る
が、その赤色光強度が緑色光および青色光強度の1.2倍
以上であるため着色の程度は許容範囲内である。これに
対して比較例６では、背面光源の赤色光強度が緑色光お
よび青色光強度の1.2倍以下であるため、表示が青緑色
に着色し無彩色性に劣る。
〔発明の効果〕
請求項１の発明によれば、高デューティ比のマルチプ
レックス駆動において、コントラストが高く、しかも無
彩色性の優れた液晶表示を達成することができる。
請求項２の発明によれば、さらに高いコントラストの
液晶表示を達成することができる。
請求項３の発明によれば、高コントラストで色純度の
高いカラー液晶表示を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図はノーマリークローズ表示モードにおける電圧と
透過光強度との関係を示す図、 第２図はノーマリーオープン表示モードにおける電圧と
透過光強度との関係を示す図、 第３図は透過型液晶表示装置の概略図、 第４図は従来の液晶セルにおける透過スペクトルの分布
図、 第５図はオン電圧印加時の平均ティルト角θONとδとの
関係を示す図、 第６図は双安定現象の説明図、 第７図は双安定現象のヒステリシス現象の説明図、 第８図はプレティルト角θ０とコントラストとの関係を
示す図、 第９図はプレティルト角θ０とオフ電圧印加時の明るさ
との関係を示す図、 第10図は従来の背面光源による液晶セルの透過スペクト
ルの分布図、 第11図および第12図はねじれ角αとずれ角βおよびγと
の関係を示す説明図、 第13図は自発ねじれピッチPSを特定するための説明図、 第14図は液晶セルの概略断面図、 第15図はプレティルト角θ０と平均ティルト角θONおよ
びθOFFとの関係を示す図、 第16図（ａ）は導光板を用いた背面光源の概略断面図、 第16図（ｂ）は反射拡散型の背面光源の概略断面図であ
る。 10……液晶セル、11,12……電極基板 11A,12A……透明基板、11B,12B……電極層 11C,12C……配向層、11D,12D……遮光層 13……液晶層、15……シール部 16……スペーサ、21……正面の偏光板 22……背面の偏光板、30……背面光源 41……駆動用回路、51,52……配向層 53,54……電極基板、55……液晶セル 56……ネマチック液晶、57……スペーサ 58,59……偏光板、60……管状発光源 61……導光板、62……反射板 63……光散乱板

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】対向して配置された各々配向層を有する一
    対の電極基板間に、旋光性物質を添加した正の誘電率異
    方性を有するネマチック液晶が220°から300°の範囲内
    のねじれ構造を形成して配置された液晶層を備えた液晶
    セルと、当該液晶セルの前後に配置された一対の偏光板
    と、背面側の偏光板の裏面側に配置された背面光源とを
    有してなる透過型液晶表示装置において、 （ａ）ネマチック液晶の屈折率異方性の大きさΔｎと、
    液晶層の厚さｄ（μｍ）との積Δｎ・ｄが0.75〜0.90μ
    ｍであり、 （ｂ）ねじれ角αとの関係において、一対の偏光板の偏
    光軸と、当該偏光板のそれぞれに隣接する電極基板の配
    向処理方向とのなす角度（ずれ角）βおよびγが下記式
    およびを満足し、 式 α＋β−γ−180°＝90°−δ （０°＜δ＜30°） 式 β＋γ＝＋90°または−90° （ｃ）電極基板面に接する液晶分子のダイレクタ方向と
    当該電極基板面とのなす角度（プレティルト角）θ０が
    10°以上であり、 （ｄ）背面光源の赤色光の発光強度が緑色光および青色
    光の発光強度の1.2倍以上であり、 （ｅ）背面光源の発光輝度が200cd/cm2以上であること
    を特徴とする透過型液晶表示装置。
  2. 【請求項２】電極基板の非画素領域に遮光層を設けたこ
    とを特徴とする請求項１に記載の透過型液晶表示装置。
  3. 【請求項３】少なくとも３色のカラーフィルターが各画
    素に対応して形成されていることを特徴とする請求項１
    または請求項２に記載の透過型液晶表示装置。
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