CN102033359A - 液晶显示元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液晶显示元件，即使在高温环境下也能够抑制显示品质的下降。下侧偏光板以及上侧偏光板以交叉尼科尔的位置关系进行配置。在下侧偏光板与上侧偏光板之间，配置有延迟为500nm以上的垂直配向型液晶单元。在液晶单元与上侧偏光板之间，配置有具有负单轴光学各向异性的第1光学膜。在液晶单元与第1光学膜之间配置有第2光学膜，该第2光学膜具有负双轴光学各向异性，并且面内慢轴与上侧偏光板的吸收轴正交。

Description

液晶显示元件

技术领域

本发明涉及进行了视角补偿的垂直配向型液晶显示元件。

背景技术

通过组合垂直配向型液晶单元和以交叉尼科尔(crossed nicols)的位置关系配置的偏光板，来实现常黑显示。从正面方向观察液晶单元时，液晶显示元件的光学特性等同于交叉尼科尔偏光板的光学特性。因此，透过率非常低，能够容易地实现高对比度。

通过在液晶单元与偏光板之间插入光学膜，由此不仅在正面观察时，即使在倾斜观察时，也能够维持高对比度。专利文献1公开了插入有具有负单轴光学各向异性或负双轴光学各向异性的光学膜的液晶显示元件。专利文献2公开了在液晶单元与偏光板之间插入有具有负双轴光学各向异性的光学膜、并且在该光学膜与液晶单元之间插入有具有负单轴光学各向异性的第2片光学膜的液晶显示元件。

“负单轴光学各向异性”是指：在设主折射率为nx、ny、nz时具有nx＝ny＞nz的关系的光学各向异性。“具有负单轴光学各向异性的光学膜”是指对应于主折射率nz的轴与厚度方向平行的光学膜。这样的光学膜被称为负C板。此外，在理想的负C板中nx与ny严格一致、即面内方向的延迟(retardation)是0，但实际在市场上流通的负C板的面内延迟不为0。通常的负C板的面内延迟优选为7nm以下，最好为5nm以下。在本说明书中，具有7nm左右面内延迟的C板也被分类为“具有负单轴光学各向异性的光学膜”。

“负双轴光学各向异性”是指在设主折射率为nx、ny、nz时具有nx＞ny＞nz关系的光学各向异性。“具有负双轴光学各向异性的光学膜”是指对应于主折射率nz的轴与厚度方向平行的光学膜。

【专利文献1】日本特开昭62-210423号公报

【专利文献2】日本特开2008-139783号公报

将改善了视角特性的现有液晶显示元件放置在90℃左右的高温环境下时，发现这样的倾向：在显示画面的边框附近区域及中央处，背景的透过率上升，显示品质下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液晶显示元件，该液晶显示元件即使在高温环境下也能够抑制显示品质的下降。

根据本发明的一个方面，提供一种液晶显示元件，该液晶显示元件具有：

以交叉尼科尔的位置关系配置的下侧偏光板和上侧偏光板；

垂直配向型液晶单元，其配置在上述下侧偏光板与上述上侧偏光板之间，延迟是500nm以上；

第1光学膜，其配置在上述液晶单元与上述上侧偏光板之间，具有负单轴光学各向异性；以及

第2光学膜，其配置在上述液晶单元与上述第1光学膜之间，具有负双轴光学各向异性，面内慢轴与上述上侧偏光板的吸收轴正交。

可以通过配置第1以及第2光学膜，来抑制在放置于高温环境下之后的显示品质劣化。

附图说明

图1是示出进行了通常视角补偿的液晶显示元件的层叠结构的分解立体图。

图2是示出进行评价的液晶显示元件的层叠结构的分解立体图。

图3是示出将评价对象的液晶显示元件放置在高温环境下后的透过率分布的测定结果的图。

图4是示出将评价对象的液晶显示元件放置在高温环境下后的透过率分布的测定结果的图。

图5是示出将评价对象的液晶显示元件放置在高温环境下后的透过率分布的测定结果的图。

图6是示出实施例的液晶显示元件的层叠结构的分解立体图。

图7是示出比较例的液晶显示元件的层叠结构的分解立体图。

图8是示出实施例和比较例的液晶显示元件的光学膜的面内延迟与背景透过率之间的关系的图。

图9是示出实施例和比较例的液晶显示元件的背景透过率的视角特性的仿真结果的图。

图10是示出实施例和比较例的液晶显示元件的光学膜的面内延迟与背景透过率之间的关系的图。

图11是示出实施例和比较例的液晶显示元件的背景透过率的视角特性的仿真结果的图。

图12是示出另一实施例的液晶显示元件的层叠结构的分解立体图。

图13是采用了实施例的液晶显示元件的液晶显示装置的框图。

标号说明

10下侧偏光板；20液晶单元；21、22玻璃基板；23液晶材料；25第1光学膜；27第2光学膜；30上侧偏光板；80液晶显示元件；81公共电极；82分段电极；90驱动电路；91公共输出电路；92分段输出电路；93公共总线；94分段总线

具体实施方式

在说明实施例之前，说明对在高温环境下放置现有结构的液晶显示元件时的显示特性进行评价的结果。

图1示出进行了视角补偿的通常液晶显示元件的层叠结构。在下侧偏光板10与上侧偏光板30之间配置有液晶单元20。在液晶单元20与上侧偏光板30之间配置有第1光学膜25。在下侧偏光板10的外侧配置有背光源。以从正面观察液晶显示元件时右方向为0°、上方向为90°的方式来定义方位角。

下侧偏光板10具有偏光层10P和基膜10B贴合起来的结构。上侧偏光板30具有偏光层30P和基膜30B贴合起来的结构。下侧偏光板10与上侧偏光板30之间具有交叉尼科尔的位置关系。下侧偏光板10的吸收轴10a与方位角45°的方向平行，上侧偏光板30的吸收轴30a与方位角135°的方向平行。

基膜10B、30B例如采用三醋酸纤维素(TAC)。基膜10B、30B通常可认为是分别具有约50nm左右的厚度方向延迟Rth的负C板。此外，基膜10B、30B分别具有3nm左右的面内方向延迟。此外，基膜10B、30B的慢轴分别与偏光层10P、30P的吸收轴10a、30a平行。

液晶单元20包含一对玻璃基板21、22、以及填充在两者之间的液晶材料23。在玻璃基板21、22的相对面上形成有透明电极以及配向膜等。对于玻璃基板21的下侧偏光板10侧的配向膜，实施了朝向90°方位的摩擦处理。对于玻璃基板22的上侧偏光板30侧的配向膜，实施了朝向270°方位的摩擦处理。液晶分子的预倾角(液晶分子的指向矢与基板面构成的角)是89.9°。液晶材料的折射率各向异性Δn是0.15，介电常数各向异性Δε为负。在白显示状态时，位于液晶层中央的液晶分子在方位角90°的方向上倾斜。

第1光学膜25具有负双轴光学各向异性。其面内慢轴25s与上侧偏光板30的吸收轴30a正交。这里，“正交”不是指几何学上严格以90°交叉，产生了在制造时产生的对准误差程度的角度偏差这样的关系也包含在“正交”关系中。

图2示出用于评价的液晶显示元件的层叠结构。在图2的例子中，第1光学膜25与上侧偏光板30的偏光层粘接，兼作偏光板的基膜。因此，不配置图1所示的基膜30B。其它的结构与图1所示的液晶显示元件的结构相同。

通过延展加工(stretching process)TAC膜来形成第1光学膜25。第1光学膜的慢轴25s与吸收轴30a正交。第1光学膜25的面内延迟Re1例如是55nm，厚度方向的延迟Rth1例如是220nm。下侧偏光板10采用株式会社サンリッツ(SANRITZ corporation)制造的碘系偏光板。

将图2所示的液晶显示元件放置在90℃的环境下250小时之后，恢复室温观察显示特性。此外，对画面尺寸为50mm×50mm的正方形液晶显示元件和80mm×40mm的长方形液晶显示元件进行评价。

图3示出不对画面尺寸为50mm×50mm的正方形液晶显示元件施加电压时的透过率分布的测定结果。由图可知，与上下左右各边的中央部分相接的区域的透过率变高。在离开画面边缘的区域以及4个角附近的区域中维持低透过率。

图4示出不对画面尺寸为80mm×40mm的长方形液晶显示元件施加电压时的透过率分布的测定结果。与上下长边的中央相接的区域的透过率显著上升。与长边中央相接的区域的影响到达画面中央部，中央的透过率也上升到0.02～0.03％。与短边相接的区域的透过率几乎不上升。

在画面的横长度与纵长度之比为3∶1和4∶1的样本中，也是在与长边中央相接的区域，透过率大幅上升。画面的横长度与纵长度之比越大，透过率越显著上升。另外，确认了画面的面积越大，透过率的不均匀越显著，显示品质劣化。

图5A以及图5B示出了将对于第1光学膜25采用热变形小的降冰片烯系环状烯烃(降冰片烯COP)(norbornene cyclic olefin polymer)的样本放置在高温环境下后的透过率分布的测定结果。该样本具有图1所示的层叠结构。作为下侧偏光板10以及上侧偏光板30，采用耐热性良好的株式会社ポララクノ(POLATECHNO Co.Ltd.)制造的染料系偏光板(SHC13U)。

图5A的样本的画面尺寸是80mm×40mm，图5B的样本的画面尺寸是100mm×25mm。比较图5A和图4可知，图5A抑制了透过率的上升，改善了透过率的不均匀。如图5B所示，当纵横比进一步增大时，在画面中央区域中透过率的上升变大，观察到透过率的不均匀。

如图3～图5B所示，放置在高温环境下后产生透过率不均匀被认为是第1光学膜25的慢轴方位由于热收缩而从初始方位偏移。由热收缩导致的慢轴方位偏移在长边附近和短边附近不同，所以透过率产生不均匀。

在慢轴与表面平行的光学各向异性介质的表面和背面上以交叉尼科尔的关系配置有一对偏光板时的透过率T如下式所示。

【式1】

$T=\frac{1}{2}{\sin }^2\left(2\mathrm{\φ}\right){\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}{R}_e}{\mathrm{\λ}}\right)\·\·\·\left(1\right)$

这里，

表示下侧偏光板的吸收轴与光学各向异性介质的面内慢轴构成的角，λ表示透过波长，Re表示光学各向异性介质的面内延迟。如果下侧偏光板的吸收轴与光学各向异性介质的面内慢轴构成的角

是0°，则透过率T是0。但是，当光学各向异性介质的面内慢轴的朝向相对于下侧偏光板的吸收轴的朝向发生偏移时，透过率T不为0，随着偏移变大，透过率T变大。面内延迟Re越小，面内慢轴的朝向发生偏移时的透过率T的上升程度越小。因此认为，为了抑制透过率T的上升，有效的方式是减小面内延迟Re。

图6示出实施例的液晶显示元件的层叠结构。以下，着眼于与图2所示的液晶显示元件的不同点进行说明。在第1光学膜25与液晶单元20之间配置有第2光学膜27。在图2所示的例子中，第1光学膜25具有负双轴光学各向异性，但在图6所示的例子中，第1光学膜25具有负单轴光学各向异性，第2光学膜27具有负双轴光学各向异性。第2光学膜27的面内慢轴27s与上侧偏光板30的吸收轴30a正交。其它结构与图2所示的液晶显示元件的结构相同。

图7示出比较例的液晶显示元件的层叠结构。在比较例中，第1光学膜25具有负双轴光学各向异性，第2光学膜27具有负单轴光学各向异性。第1光学膜25的面内慢轴25s与上侧偏光板30的吸收轴30a正交。

通过仿真求出图6所示的实施例的液晶显示元件、图2以及图7所示的比较例的液晶显示元件的背景透过率。这里，“背景”是指不形成电极、不产生电场的区域。即，背景内的液晶分子始终大致垂直地配向。以下，将图2所示的比较例表述为“比较例C2”，将图7所示的比较例表述为“比较例C7”。

图8示出以从法线方向朝右方向(方位角0°的方向)倾斜40°的视线观察液晶显示元件时的透过率的仿真结果。横轴用单位“nm”来表示光学膜的面内延迟Re，纵轴用单位“％”来表示背景透过率。在实施例中面内延迟Re表示第2光学膜27的面内延迟，在比较例C2以及C7中面内延迟Re表示第1光学膜25的面内延迟。

图中标注三角记号的实线表示图6所示的实施例的液晶显示元件的透过率。标注菱形记号的虚线表示比较例C7的液晶显示元件的透过率。标注圆形记号的点线表示比较例C2的液晶显示元件的透过率。在实施例以及比较例C7中，将第1光学膜25以及第2光学膜27各自的厚度方向延迟设为220nm。在比较例C2中，将第1光学膜25的厚度方向延迟设为440nm。

不管在实施例还是比较例的情况下，背景透过率的变化都为下凸的曲线，并具有最小值。可通过使光学膜的面内延迟与背景透过率最小时的面内延迟一致，来获得最高的对比度。此时的面内延迟称为“面内延迟的最优值”。可知，相比于其它2个比较例，在实施例的情况下面内延迟的最优值较小。

此外，当液晶层的延迟Δnd发生变化时，背景透过率也发生变化。关于背景透过率最小时的液晶层的延迟Δnd，在实施例以及比较例C7的情况下是540nm，在比较例C2的情况下是570nm。

可以通过采用实施例的层叠结构，来减小用于补偿视角特性的光学膜的面内延迟的最优值。由式1可知，当减小光学膜的面内延迟时，可以抑制当光学膜的面内慢轴方向与偏光板的吸收轴方向之间的位置关系偏离理想关系时的透过率上升。因此，在放置于高温环境下之后，也能够维持良好的显示特性。

图9示出实施例、比较例C2、C7的背景透过率与视角之间的关系的仿真结果。横轴用单位“°”表示视线向左右方向倾斜时的视角。这里，视角是指液晶显示元件画面的法线方向与视线所构成的角度。将向右方向(方位角0°的方向)倾斜时的视角设为正，将向左方向(方位角180°的方向)倾斜时的视角设为负。纵轴用单位“％”表示背景透过率。图9的实线表示实施例的液晶显示元件的透过率，虚线和点线分别表示比较例C2以及C7的液晶显示元件的透过率。

在实施例的液晶显示元件中，设液晶层的延迟Δnd为540nm，设第2光学膜27的面内延迟Re2为30nm。在比较例C2的液晶显示元件中，设液晶层的延迟Δnd为570nm，设第1光学膜25的面内延迟Re1为42.5nm。在比较例C7的液晶显示元件中，设液晶层的延迟Δnd为540nm，设第2光学膜27的面内延迟Re2为70nm。这些面内延迟Re1、Re2是与从图8中获得的面内延迟的最优值接近的值。

在实施例以及比较例C2的液晶显示元件中，当视角增大到60°左右时，背景透过率急剧上升，但在视角小于50°的范围内，维持充分低的透过率。关于比较例C7的液晶显示元件，其视角特性最优，但第1光学膜25的面内延Re1比实施例的第2光学膜27的面内延迟Re2以及比较例C2的第1光学膜25的面内延Re1大。因此，容易产生在放置于高温环境下时的显示不均。

通过采用实施例的结构，能够与比较例C2等同地维持视角特性、并且防止在放置于高温环境下时产生显示不均。

在图8、图9中，将第1光学膜25和第2光学膜27在厚度方向上累计的延迟设定为440nm。接着，考察将第1光学膜25和第2光学膜27在厚度方向上累计的延迟设定为660nm的情况。对在图6所示的结构中设为Rth1＝220nm、Rth2＝440nm的实施例Ea以及设为Rth1＝440nm、Rth2＝220nm的实施例Eb进行评价。

为了比较，对在图2所示的结构中设为Rth1＝660nm的比较例C2、在图7所示的结构中设为Rth1＝220nm、Rth2＝440nm的比较例C7a以及设为Rth1＝440nm、Rth2＝220nm的比较例C7b也进行评价。

图10示出以从法线方向朝右方向(方位角0°的方向)倾斜40°的视线观察液晶显示元件时的透过率的仿真结果。横轴用单位“nm”表示面内延迟Re，纵轴用单位“％”表示背景透过率。这里，面内延迟Re相当于在实施例Ea、Eb中第2光学膜27的面内延迟Re2，相当于在比较例C2、C7a、C7b中第1光学膜25的面内延迟Re1。

图10的标注交叉记号的粗实线表示实施例Ea的元件的透过率，标注菱形记号的粗虚线表示实施例Eb的元件的透过率。标注圆形记号的细虚线表示比较例C2的元件的透过率。标注方形记号的细实线表示比较例C7a的元件的透过率，标注三角记号的细点线表示比较例C7b的元件的透过率。

实施例Ea以及比较例C7a的元件的液晶层的延迟Δnd的最优值是765nm。实施例Eb以及比较例C7b的元件的液晶层的延迟Δnd的最优值是795nm。比较例C2的元件的液晶层的延迟Δnd的最优值是825nm。

可知，与其它比较例相比，在实施例Ea、Eb情况下面内延迟Re的最优值小。

图11示出实施例Ea、Eb、比较例C2、C7a、C7b的元件的背景透过率与视角之间的关系的仿真结果。横轴和纵轴的含义与图9的情况相同。图11的粗实线以及粗虚线分别表示实施例Ea以及Eb的元件的透过率。细虚线表示比较例C2的元件的透过率。细实线以及细虚线分别表示比较例C7a以及C7b的元件透过率。

在实施例Ea、Eb中，第2光学膜27的面内延迟Re2分别设为25nm、22.5nm。在比较例C2中，第1光学膜25的面内延迟Re1设为35nm。在比较例C7a以及C7b中，第1光学膜25的面内延迟Re1分别设为65nm、37.5nm。这些面内延迟是与从图10中获得的面内延迟Re的最优值接近的值。

比较例C7a、C7b的元件表现出比其它元件良好的视角特性，但这些元件的第1光学膜的面内延迟Re1大于其它元件的光学膜的面内延迟Re1、Re2。因此，容易产生放置于高温环境下时的显示不均。

在实施例Ea、Eb的元件中，可以通过减小第2光学膜27的面内延迟Re2，来防止在放置于高温环境下时产生显示不均。在视角小于50°的范围内，实施例Ea、Eb的元件表现出与比较例C2、C7a、C7b的元件等同的透过率。

如图10所示，在使背景透过率最小的条件下，实施例Eb的元件与实施例Ea的元件相比，更能减小第2光学膜27的面内延迟Re2。但是如图11所示，实施例Eb的元件与实施例Ea的元件相比，增大视角时透过率显著上升。

根据实施例Ea、Eb的元件的评价结果，发现下述倾向：当相对于第2光学膜27在厚度方向上的延迟Rth2增大第1光学膜25在厚度方向上的延迟Rth1时，可以减小第2光学膜27的面内延迟Re2的最优值，当减小延迟Rth1时，面内延迟Re2的最优值变大。

另外发现这样的倾向：当增大延迟Rth1时，增大视角时的背景透过率显著上升。

为了维持增大视角时的显示品质并且减小第2光学膜27的面内延迟Re2，优选使延迟Rth1处于延迟Rth1与Rth2总和的1/3～2/3的范围内。

为了防止在放置于高温环境下时产生显示不均，优选第2光学膜27的面内延迟为30nm以下。相反，当第2光学膜27的面内延迟过小时，膜面内的慢轴方位的均匀性降低。因此，根据面内部位而发生轴偏移。为了抑制轴偏移，优选第2光学膜27的面内延迟为15nm以上。

图12示出另一实施例的液晶显示元件的层叠结构。在图6所示的实施例中，与上侧偏光板30粘接的第1光学膜25兼作偏光层的基膜。在图12所示的实施例中，上侧偏光板30包含偏光层30P和基膜30B。因此，第1光学膜25不是与上侧偏光板30粘合而构成一体型的偏光板，而是与上侧偏光板30的基膜30B贴紧地层叠。其它的结构与图6所示的实施例的液晶显示元件的结构相同。

基膜30B在厚度方向上的延迟通常是50nm左右。在此情况下，认为基膜30B在厚度方向上的延迟与第1光学膜25在厚度方向上的延迟的总和是图8～图11考察的厚度方向的延迟Rth1即可。

另外，第1光学膜25可由多片负C板构成。在此情况下，认为多个负C板在厚度方向上的延迟与基膜30B在厚度方向上的延迟的总和是图8～图11考察的厚度方向的延迟Rth1即可。

另外，第2光学膜27可由具有负双轴光学各向异性的多个光学膜构成。

图13示出采用上述实施例的液晶显示元件的显示装置的框图。液晶显示元件80包含相互平行配置的多个公共电极81和与其正交配置的多个分段电极82。公共电极81与分段电极82的交点构成像素。

驱动电路90包含分段输出电路92和公共输出电路91。公共输出电路91经由公共总线93对公共电极81提供公共电压。分段输出电路92经由分段总线94对分段电极82提供分段电压。驱动电路90对液晶显示元件80进行多路驱动。如果对某像素的公共电极81和分段电极82施加的电位差为截止电压以下，则该像素成为黑显示状态，如果为导通电压以上，则该像素为白显示状态。

可以通过使液表显示元件80构成上述实施例的结构，来防止在放置于高温环境下时产生显示不均。

图13示出点矩阵型的显示装置，但上述实施例也适用于分段型显示装置、包含分段型和点矩阵型双方的复合型显示装置。

在对液晶显示元件进行多路驱动时，为了提高占空比而增加显示容量，有效的是增大液晶层的延迟Δnd。尤其在利用比1/16占空比高的占空比进行多路驱动时，优选液晶层的延迟Δnd为500nm以上。

当增大液晶层的延迟Δnd时，可进行高占空比驱动，但发现存在这样的倾向：增大视角时背景显示品质显著劣化。为了抑制视角特性的劣化，优选液晶层的延迟Δnd为1000nm以下。

在图8、图9中，将第1光学膜25和第2光学膜27在厚度方向上的延迟的总和(Rth1+Rth2)设为440nm，在图10、图11中，将Rth1+Rth2设为660nm。延迟Rth1与Rth2总和的适当值取决于液晶层的延迟Δnd。通常情况下，优选Rth1+Rth2在液晶层的延迟Δnd的50％～150％范围内。

按照以上实施例对本发明进行了说明，但本发明不限于此。例如，本领域技术人员可以进行各种变更、改良、组合等。

Claims (5)

1.一种液晶显示元件，其具有：

以交叉尼科尔的位置关系配置的下侧偏光板和上侧偏光板；

垂直配向型液晶单元，其配置在上述下侧偏光板与上述上侧偏光板之间，延迟是500nm以上；

第1光学膜，其配置在上述液晶单元与上述上侧偏光板之间，具有负单轴光学各向异性；以及

第2光学膜，其配置在上述液晶单元与上述第1光学膜之间，具有负双轴光学各向异性，面内慢轴与上述上侧偏光板的吸收轴正交。

2.根据权利要求1所述的液晶显示元件，其特征在于，

上述第1光学膜在厚度方向上的延迟和上述第2光学膜在厚度方向上的延迟的总和是上述液晶单元的液晶层的延迟的50％～150％范围内。

3.根据权利要求1所述的液晶显示元件，其中，

上述第1光学膜在厚度方向上的延迟是上述第1光学膜在厚度方向上的延迟与上述第2光学膜在厚度方向上的延迟的总和的1/3～2/3范围内。

4.根据权利要求1所述的液晶显示元件，其中，

上述第2光学膜的面内延迟小于等于30nm。

5.根据权利要求1所述的液晶显示元件，其中，

所述液晶显示元件还具有对上述液晶单元进行多路驱动的驱动电路。

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