JP2009229894A - 垂直ねじれ配向液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
電圧印加時の光透過率変化の急峻性がよく、カラーシフトの少ない、垂直配向型液晶表示装置を提供する。
【解決手段】
垂直ねじれ配向液晶表示装置は、電極と該電極上に形成された垂直配向膜とを表面に形成し、間隔ｄで互いに対向配置された一対の基板であって、垂直配向膜の一方のみが配向処理されている一対の基板と、一対の基板間に配置される、カイラル剤を添加した垂直配向液晶層であって、カイラルピッチをｐとした時、０＜（ｄ／ｐ）≦０．５５５６である垂直配向液晶層と、液晶セル外側に配置されたクロスニコル配置の１対の偏光子と、を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に垂直配向型液晶表示装置に関する。

電圧無印加状態で液晶分子が基板に垂直に配向する垂直配向型液晶表示装置は、クロスニコル配置の偏光板と組み合わせると、オフ時の光透過率を低くでき、高いコントラストを提供できる。

図１に、垂直配向型液晶表示装置の代表的構成例を示す（特開２００５−２３４２５４号より引用）。第１の基板１と第２の基板２が対向し、その間に液晶層３を挟持する。第１の基板１は、透明基板１３の対向表面上に透明電極１４を形成し、その上に高分子垂直配向膜１５を塗布し、その表面を１８で示す方向にラビング処理したものであり、外側表面上には視角補償板１２と偏光板１１が配置されている。第２の基板２は、第１の基板１同様、透明基板２３の対向表面上に透明電極２４を形成し、その表面を高分子の垂直配向膜２５で覆い、矢印２８の方向にラビング処理したものである。外側表面上には視角補償板２２と偏光板２１が配置されている。液晶分子が一定方向にプレティルトするように、ラビング方向１８，２８はアンチパラレルに配置される。液晶層３は、基板１、２の面に垂直に配向する性質を有する液晶分子を含み、ラビング処理１８、２８により、基板の表面から一定の（９０度より小さい）角度のプレティルト１９、２９を有する。

垂直配向ＥＣＢ−ＬＣＤの電気光学特性は、低印加電圧状態で透過光の遮断が良好であり、良好な黒表示が得られる。ただし、透過光スペクトルの角度分布は、液晶が屈折率異方性を有する方向の入射光において必ずしも平坦とならず、斜め方向からの観察において着色が視認されるという現象が生じることがある。また、垂直配向ＥＣＢ−ＬＣＤにおいては、一般にデューティ比などの駆動信号条件と液晶材料、スペーサなどのセル条件の組み合わせの最適化が必要であり、駆動条件ごとに異なる材料を組み合わせるため、工程内で使用材料の混入による不良品が発生することがある。

垂直配向型液晶層にカイラル剤を添加し、プレティルト角を基板法線方向から大きく離す提案がされている（特開２００４−３５５０３２号、特開２００７−１０１８０８号）。基板表面から測ったプレティルト角は、特開２００４−３５５０３２号では８５°〜６０°の範囲、特開２００７−１０１８０８号では８０°〜８６°に設定される。これらのプレティルト角を与える配向制御は容易でない。また、デューティ比によって最適なセル構成が変化し、デューティ比を変えるとセル構成を変更することが望まれる。

特開２００５−２３４２５４号公報 特開２００４−３５５０３２号公報 特開２００７−１０１８０８号公報

本発明の目的は、カラーシフトの少ない、垂直配向型液晶表示装置を提供することである。

本発明の１観点によれば、
電極と該電極上に形成された垂直配向膜とを表面に形成し、間隔ｄで互いに対向配置された一対の基板であって、前記垂直配向膜の一方のみが配向処理されている一対の基板と、
前記一対の基板間に配置される、カイラル剤を添加した垂直配向液晶層であって、カイラルピッチをｐとした時、０＜（ｄ／ｐ）≦０．５５５６である垂直配向液晶層と、
前記液晶セル外側に配置されたクロスニコル配置の１対の偏光子と、
を有する垂直ねじれ配向液晶表示装置
が提供される。

カラーシフトの少ない、垂直配向型液晶表示装置を提供できる。

垂直配向型液晶表示装置において、オフ時の光透過率をなるべく低くするには、オフ時の液晶分子がなるべく基板表面に対して垂直に配向することが好ましい。オン時に液晶分子が一定方向に倒れるようにするには一定方向のプレティルトを付与することが望ましい。オフ時の光透過率とプレティルトはトレードオフの関係にある。本発明者は液晶層全体でのプレティルト角、ないしは液晶層の厚さ方向中央の液晶分子のプレティルト角を基板法線方向に近づけるため、一方の基板のみにラビングなどの配向処理を行なうことを考えた。

また、視角範囲を広くし、カラーシフトを抑制するために液晶層にカイラル剤を添加してねじれ配向を導入することを考えた。

図２Ａ，２Ｂは、実施例による垂直配向液晶表示装置の電圧印加時、電圧無印加時の構成を概略的に示す断面図である。電圧無印加状態を示す図２Ａにおいて、第１の基板１と第２の基板２が対向し、その間に負の誘電率異方性を有する液晶分子を含む垂直配向液晶層３を挟持する。第１の基板１は、透明基板１３の対向表面上に透明電極１４を形成し、その上に高分子垂直配向膜１７を塗布し、ラビング処理はしないものであり、外側表面上には視角補償板１２と偏光板１１が配置されている。第２の基板２は、透明基板２３の対向表面上に透明電極２４を形成し、その表面を高分子の垂直配向膜２５で覆い、垂直配向膜２５に矢印２８の方向にラビング処理したものである。外側表面上には視角補償板２２と偏光板２１が配置されている。視角補償板１２と２２は、液晶層の屈折率異方性を補償する。偏光板１１と２１とは、クロスニコル配置される。

一方の基板のみにラビングによる配向処理がされている。ラビングは、例えば特開２００５−２３４２５４号の段落００２２−００３５，００３９−００７２、図２Ｂ−９Ｂに開示する方法で行い、基板表面に対するプレティルト角を８７°〜８９．７°、より好ましくは８８．４°〜８９．７°にする。

液晶層３は、基板１、２の面に垂直に配向する性質を有する負の誘電率異方性を有する液晶分子を含み、ラビング処理２８により、下側基板に接する液晶分子は、下側基板の表面から９０°未満の一定角度のプレティルト２９を有する。図では上側基板にはラビングがされていないので、上側基板に接する液晶分子はほぼ基板法線方向に配向する。下側基板に近づくにつれ、下側基板の配向処理の影響が現れる。図では下側基板の垂直配向膜２５のみをラビングした場合を示したが、代わりに上側基板の垂直配向膜のみを配向処理してもよい。

液晶層３には、カイラル剤が添加されている。カイラル剤の添加により、液晶層は厚さ方向に沿ってチルト方向が旋回する性質を有する。旋回する角度はカイラル剤の添加量による。以下、液晶材料のカイラルピッチをｐ、液晶層の厚さをｄで示す。

図２Ｂは、電圧印加時の液晶分子の配向を概略的に示す。カイラル剤の添加により、液晶層の厚さ方向に沿って液晶分子のチルト方向は旋回している。倒れこむ方向は配向処理方向、カイラル角度、印加電圧などの影響を受ける。基板と接する液晶分子はアンカリング力を有し、倒れにくいので、電圧印加によって液晶層の厚さ方向中央部で最も強く液晶分子が倒れこむ。なお、一方の基板のみに配向処理した場合、電圧印加時に得られるカイラル角は、電圧無印加時と同じとは限らず、一般的には異なる。

図２Ａ、２Ｂに示す液晶表示装置は、例えば、以下のように作成することができる。まず透明電極が形成された一対の透明基板を用意する。フォトエッチングにより、透明電極を所定形状にエッチングする。フレキソ印刷により、パターニングした透明電極を覆って垂直配向膜を塗布し、焼成する。いずれか一方の基板の垂直配向膜に対し、ラビングによる配向処理を行なう。一方の基板の対向面にギャップコントロール材を添加したメインシール剤を、例えばスクリーン印刷で印刷する。他方の基板の対向面にギャップコントロール剤を散布する。対向面を対向させて一対の基板を重ね、焼成して空セルを作成する。真空注入、毛細管現象等を用いて、空セルに液晶材料を注入する。所定液晶層厚が得られるように、所定の圧力を印加しつつ、エンドシール材を塗布、硬化し、液晶セルを封止する。液晶セルを洗浄し、所定方向に設定した視角補償板、偏光板を外側表面に貼付する。

ｄ／ｐの値を種々の値に変化させた液晶セルサンプルの性能を評価した。比較例として、図１に示すように、両基板にラビングによる配向処理を行ない、カイラル剤を添加しない液晶材料を注入したサンプルも評価した。

図３−１，３−２は、シミュレーションによる比較例及びサンプルの特性をまとめた表である。液晶表示装置の面内角度は、観察者から見て右向き、３時の方向を０度とし、上向き、１２時の方向を９０度、左向き、９時の方向を１８０度、下向き、６時の方向を２７０度（−９０度）とする。

表において、最左欄にサンプル番号を記載する。次の３欄にｄ／ｐ、電圧無印加時のセル内のねじれ角度、最適ラビング方向及び駆動時のねじれ角度を示す。ｄ／ｐによって、電圧無印加時のねじれ角度［（ｄ／ｐ）×３６０］が与えられる。駆動時のねじれ角度は、電圧無印加時のねじれ角度から変化するので、最適なラビング方向は駆動時の状態に基づいて設定するべきであろう。その右には電圧（Ｖ）に対する光透過率（Ｔ）の変化を示すＶ−Ｔ曲線から判定した急峻性と最大透過率を示し、さらに右側にコントラスト視角特性図から判定した３つの特性、法線方向のコントラスト、拡がりから判断した視角特性、左右の対象性から判断した視角対象性を示し、最右欄に総合判断の結果を示す。比較例は、現在製造しているもので、この特性を基準○とし、特性が改善されれば◎、劣化すれば△とする。×は使用できない性能を示す。

比較例は、一対の基板両方にラビングによる配向処理を行ない、カイラル剤を添加しない液晶材料を注入した液晶表示装置である。サンプル０〜１８は、一方の基板にのみラビングによる配向処理を行ない、カイラル剤を添加した液晶材料を注入した液晶表示装置であり、電圧無印加時のねじれ角度を１°〜２７５°に変化させるように、ｄ／ｐを−０．００２８〜−０．７６３９に設定した。

比較例ではラビング方向は２７０度である。片側ラビングのサンプルにおいては、電圧を印加した駆動時のねじれ角度は、電圧無印加時のねじれ角度から変化している。このため、液晶層の厚さ中央の液晶分子を対象とした条件も変化する。この変化は、最適なラビング方向に影響する。

Ｖ−Ｔ曲線の急峻性は、比較例、サンプル０〜１４で顕著な変化は無く、サンプル１５で劣化が見え出し、サンプル１６，１７では明らかに劣化し、サンプル１８は使用不可の性能となる。最大光透過率は、サンプル０〜１４では比較例と同等であり、サンプル１５で若干悪化し、サンプル１６，１７で明らかに悪化し、サンプル１８でさらに悪化する。

法線方向コントラストは、サンプル０〜１４では、サンプル７以外比較例より高くなる。サンプル７も比較例と同程度といえる。サンプル１５で若干悪化し、サンプル１６，１７は明らかに低下し、サンプル１８は著しく悪化する。

広がりから見た視角特性は、サンプル０〜５で比較例より改善の傾向があり、サンプル６〜１２で明らかに改善し、サンプル１３は改善の傾向を示し、サンプル１４は比較例同等といえるが視角中心がずれ始め、サンプル１５，１６，１７は拡がりはあるが、問題も生じ、サンプル１８は問題が大きくなっている。

左右対称性から見た比較対象性は、サンプル０〜１１は比較例と同等であり、サンプル１３，１４で悪化が見え出し、サンプル１５は明らかに悪化し、サンプル１６，１７，１８は使用不可となる。

総合判断の結果は、使用不可の特性を含むサンプル１６〜１８は、使用不可であり、残りのサンプルが検討の対象であろう。サンプル０〜７は改善の傾向を示し、サンプル８〜１２は明らかに改善する。サンプル１３、１４は改善の傾向を示し、サンプル１５は、比較例同等となる。

比較例と同等以上の総合特性を提供できる点からサンプル０〜１５（０＜（ｄ／ｐの絶対値）≦０．５５５６）が使用可能であり、総合特性が改善の傾向を示すサンプル０〜１４（０＜（ｄ／ｐの絶対値）≦０．５０００）が望ましく、劣化要素の無いサンプル０〜１１（０＜（ｄ／ｐの絶対値）≦０．４１６７）がさらに望ましい。

図４は、改善された特性を発揮できるｄ／ｐ範囲のほぼ中心であるサンプル１０と比較例の特性をより詳細に検討した結果を示すグラフ、ダイアグラムである。分図符号中のＣが比較例、Ｅがサンプル例を示す。

図４Ｃ１，４Ｅ１はＶ−Ｔ曲線を示す。比較例は印加電圧増加に伴い、光透過率が増加した後、直ちに低下し始め、ほぼ０となった後再び増加する。サンプル例は光透過率の低下が相対的に極めて緩やかになり、０近くまで低下することはない。サンプル例のほうが明らかに、安定に利用しやすい特性である。

図４Ｃ２，４Ｅ２の等コントラスト曲線による視角特性は、サンプル例が比較例に比べて明らかに全方位で視角特性を向上できることを示している。

図４Ｃ３，４Ｅ３は垂直方向の視角変化に対するカラーシフト、図４Ｃ４，４Ｅ４は水平方向の視角変化に対するカラーシフトを示す。比較例と較べて明らかにサンプル例のカラーシフトは減少している。

両基板をラビングし、カイラル剤を添加しない比較例と比べて、一方の基板のみをラビングし、カイラル剤を添加することにより視角範囲を広くでき、カラーシフトを小さくできることが判る。

なお、駆動条件とセル条件のマッチングも変化する。

比較例において、１／４デューティ駆動の場合、セル厚：４．０μｍ、負の誘電率異方性液晶材料の屈折率異方性：０．０９１、誘電率異方性：−５．１の液晶材料を用いるのが好ましい。１／２デューティ駆動の場合、セル厚：４．０μｍ、負の誘電率異方性液晶材料の屈折率異方性：０．０９２、誘電率異方性：−２．７の液晶材料を用いるのが好ましい。

実施例においては、１／４デューティ駆動の場合、１／４デューティ駆動比較例と同じ液晶材料を用い、カイラル剤により左方向のねじれを与え、ラビング方向を−４５度とするのが好ましい。１／２デューティ駆動の場合、１／４デューティ駆動比較例と同じ液晶材料を用い、カイラル剤により左方向のねじれを与え、ラビング方向を−２５度とするのが好ましい。液晶材料、またはスペーサなどの材料又は構成を駆動条件ごとに変更する必要がなくなる。材料汚染の可能性を低減でき、不良発生率の低下にも効果が期待できる。

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。例えば、種々の変更、置換、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。

図１は、垂直配向型液晶表示装置の代表的構成例を示す断面図である。 図２Ａ，２Ｂは、本発明の実施例による垂直配向液晶表示装置電圧無印加時、電圧印加時の構成を概略的に示す断面図である。 ／ 図３−１，３−２は、シミュレーションによる比較例及びサンプルの特性をまとめた表である。 図４は、サンプル１０と比較例の特性をより詳細に検討した結果を示すグラフ、ダイアグラムである。

符号の説明

１、２ 基板
３ 液晶層
１１、２１ 偏光板
１２、２２ 視覚補償板
１３、２３ 透明基板
１４、２４ 透明電極
１５、２５ 高分子垂直配向膜
１８、２８ ラビング方向
１９、２９ プレティルト角
１７ （ラビング処理をしていない）高分子垂直配向膜

Claims (5)

1. 電極と該電極上に形成された垂直配向膜とを表面に形成し、間隔ｄで互いに対向配置された一対の基板であって、前記垂直配向膜の一方のみが配向処理されている一対の基板と、
   前記一対の基板間に配置される、カイラル剤を添加した垂直配向液晶層であって、カイラルピッチをｐとした時、０＜（ｄ／ｐ）≦０．５５５６である垂直配向液晶層と、
   前記液晶セル外側に配置されたクロスニコル配置の１対の偏光子と、
   を有する垂直ねじれ配向液晶表示装置。
2. 前記ｄ／ｐが、０＜（ｄ／ｐ）≦０．５０００である請求項１記載の垂直ねじれ配向液晶表示装置。
3. 前記ｄ／ｐが、０＜（ｄ／ｐ）≦０．４１６７である請求項２記載の垂直ねじれ配向液晶表示装置。
4. 前記配向処理によるプレティルト角は、基板表面に対して８７．０°〜８９．７°の範囲である請求項１〜３のいずれか１項記載の垂直ねじれ配向液晶表示装置。
5. 前記配向処理によるプレティルト角は、基板表面に対して８８．４°〜８９．７°の範囲である請求項４記載の垂直ねじれ配向液晶表示装置。

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