DE19626159A1 - Flüssigkristall-Sichtanzeigevorrichtung mit optischen Kompensationsplatten - Google Patents

Flüssigkristall-Sichtanzeigevorrichtung mit optischen Kompensationsplatten

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flüssigkri­ stall-Sichtanzeigevorrichtung, die als Sichtanzeige im Be­ reich der Notebook-Personalcomputer und der Fahrzeugvorrich­ tungen oder für ähnliche Zwecke verwendbar ist, und ins­ besondere eine Flüssigkristall-Sichtanzeigevorrichtung mit optischen Kompensationsplatten zum Verbessern der Sehempfin­ dungsabhängigkeit.
Flüssigkristall-Sichtanzeige (LCD) -vorrichtungen wer­ den als Sichtanzeigen mit geringem Stromverbrauch im Bereich von Notebook-Personalcomputern und Fahrzeugvorrichtungen oder für ähnliche Zwecke verwendet. In den Flüssigkristall- Sichtanzeigen werden verschiedenartige LCD-Bausteine verwen­ det. Die größte Aufmerksamkeit hat eine Aktivmatrix-LCD-Vor­ richtung mit verdrehter nematischer (TN) Struktur erhalten, durch die auf einfache Weise eine Gradationssichtanzeige hergestellt werden kann, wobei die Entwicklung von LCD-Bau­ steinen sich seit kurzem auf diese TN-Bauart konzentriert.
Der größte Mangel eines TN-LCD-Elements ist, daß, wenn die Beobachtungsposition von einer frontalen Position bezüg­ lich der Vorderseite des LCD-Elements abweicht, das Kon­ trastverhältnis wesentlich verschlechtert wird. Dieser Zu­ sammenhang zwischen der Beobachtungsposition und dem Kon­ trastverhältnis wird als Sehempfindungsabhängigkeit bezeich­ net, wobei der Mangel verursacht wird, weil der Polarisati­ onszustand des schrägeinfallenden Licht durch das LCD-Ele­ ment in einen Polarisationszustand geändert wird, der von demjenigen des senkrecht einfallenden Lichts verschieden ist.
Als eine Lösung dieses Mangels wurde eine LCD-Vor­ richtung vorgeschlagen, bei der eine optische Kompensations­ platte verwendet wird, um die Sehempfindungsabhängigkeit zu verbessern, wie beispielsweise in "New Normally White Nega­ tive Birefringence Film Compensated Twisted Nematic LCDs with Largest Viewing Angle Performance" von H.L. Ong, JAPAN DISPLAY ′92, S. 247 (1992) beschrieben wird.
Fig. 2A und 2B zeigen exemplarische Diagramme zum Dar­ stellen des Sichtanzeigeabschnitts einer herkömmlichen LCD- Vorrichtung, bei der eine optische Kompensationsplatte ver­ wendet wird. Licht fällt auf ein LCD-Element 42 ein, das durch dichtes Einschließen eines Flüssigkristalls zwischen zwei Glassubstraten 43a und 43b gebildet wird.
Wenn an dieses normalerweise weiße TN-LCD-Element 42 eine Spannung angelegt wird, werden Flüssigkristallmoleküle 44 senkrecht zu den Substraten 43a und 43b ausgerichtet. Wie in Fig. 2B dargestellt, weist die herkömmliche LCD-Vorrich­ tung näherungsweise eine einachsige Flüssigkristall- Orientierungsstruktur auf, in der, wenn eine Spannung ange­ legt wird, die Flüssigkristallmoleküle 44 im LCD-Element 42 senkrecht zu den Substraten 43a und 43b ausgerichtet sind. Beispielsweise weist der Doppelbrechungsfaktor (Δn) der Flüssigkristallmoleküle 44 eine optisch positive Polarität auf, so daß eine optische Kompensationsplatte 45 mit einer optisch negativen optischen Achse 46 an der Lichtaustritt­ seite angeordnet ist.
Wenn Licht bei der derart aufgebauten LCD-Vorrichtung senkrecht auf das LCD-Element 42 auftrifft, durchläuft das Licht das LCD-Element 42 ohne Änderung des Polarisationszu­ stands, und sein Polarisationszustand wird auch dann nicht geändert, wenn es die optische Kompensationsplatte 45 durch­ läuft. Daher wird, wenn der LCD-Vorrichtung eine Spannung zugeführt wird und die LCD-Platte 42 und die optische Kom­ pensationsplatte 45 zwischen zwei (nicht dargestellten) Po­ larisationsplatten angeordnet sind, deren Polarisations­ achsen senkrecht aufeinander stehen, Schwarz dargestellt.
Wenn Licht schräg auf das LCD-Element 42 einfällt, kreuzt das Licht die senkrecht zu den Substraten 43a und 43b ausgerichteten Flüssigkristallmoleküle 44 schräg. Wenn das Licht das LCD-Element 42 durchläuft, ändert sich daher sein Polarisationszustand. Wenn die optische Kompensationsplatte 45 zu diesem Zeitpunkt nicht verwendet wird, tritt zum Zeit­ punkt, wenn Schwarz dargestellt wird, ein Lichtverlust auf, wodurch der Kontrast abnimmt. Wenn die optische Kompensati­ onsplatte 45 an der Lichtaustrittseite angeordnet ist, wird eine Änderung des Polarisationszustands, die verursacht wird, wenn das Licht das LCD-Element 42 durchläuft, rückgän­ gig gemacht, wenn das Licht die optische Kompensationsplatte 45 durchläuft, die eine optisch negative Polarität aufweist. Dadurch kann die Sehempfindungsabhängigkeit verbessert wer­ den.
Bei der vorstehend beschriebenen herkömmlichen LCD-Vor­ richtung ist die TN-Flüssigkristall-Orientierungsstruktur bei angelegter Spannung näherungsweise eine einachsige Struktur, wobei die Flüssigkristallmoleküle senkrecht zu den Substraten ausgerichtet sind und die Richtung der optischen Achse der optischen Kompensationsplatte basierend auf den besonderen Eigenschaften festgelegt ist.
Wie in Fig. 2A dargestellt, sind die Flüssigkristallmo­ leküle 44a jedoch tatsächlich nur im Mittelabschnitt der Dicken­ richtung des LCD-Elements 42 senkrecht zu den Substraten 43a und 43b ausgerichtet, und die Flüssigkristallmoleküle 44b, die mit den Substraten 43a und 43b in Kontakt stehen, sind aufgrund des Einflusses der auf den Substraten 43a und 43b ausgebildeten Ausrichtfilme (z. B. Polyamidfilme) parallel zu den Substraten 43a und 43b ausgerichtet, so daß die Flüssig­ kristallmoleküle nicht entsprechend dem angelegten elektri­ schen Feld ausgerichtet sind. Daher unterscheiden sich die tatsächlichen Orientierungszustände der Flüssigkristallmole­ küle 44a und 44b von der Richtung der optischen Achse 46 der optischen Kompensationsplatte 45. Wenn der Sehwinkel geän­ dert wird, ändern sich daher der Doppelbrechungsfaktor Δn des TN-Flüssigkristalls und der Doppelbrechungsfaktor Δn der optischen Kompensationsplatte 45 unterschiedlich. Auch durch Verwendung der optischen Kompensationsplatte 45 kann keine ausreichende Sehwinkel-Kompensationswirkung erzielt werden.
Außerdem ändert sich, weil eine Differenz zwischen die­ sen Doppelbrechungsfaktoren Δn vorhanden ist, der Licht­ durchlaßgrad gemäß dem Sehwinkel, so daß entsprechend auch eine Wellenlängenabhängigkeit auftritt. Auch wenn Weiß mit einer mittleren Gradation geradeaus gerichtet dargestellt wird, kann daher der Sichtanzeigeabschnitt der LCD-Vorrich­ tung verfärbt werden, wenn dieser Sichtanzeigeabschnitt schräg betrachtet wird.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine LCD-Vorrichtung mit optischen Kompensationsplatten bereitzu­ stellen, durch die der Polarisationszustand in einem LCD- Element über einen großen Sehwinkelbereich zum Zeitpunkt der Darstellung von Schwarz kompensiert werden kann, wodurch die Sehempfindungsabhängigkeit und die Wellenlängenabhängigkeit verbessert werden.
Eine erfindungsgemäße LCD-Vorrichtung weist auf: eine erste optische Kompensationsplatte, die aus M optischen Kom­ pensationsschichten besteht (wobei M eine ganze Zahl ist, die gleich oder größer als 2 ist), eine zweite optische Kom­ pensationsplatte, die aus N optischen Kompensationsschichten besteht (wobei N eine ganze Zahl ist, die gleich oder größer als 2 ist), und ein LCD-Element mit (M+N) Flüssigkristall­ schichten. Die erste optische Kompensationsplatte weist eine erste und eine zweite Oberfläche auf, wobei Licht auf die erste Oberfläche auftrifft. Die zweite optische Kom­ pensationsplatte weist eine dritte und eine vierte Oberflä­ che auf, wobei Licht aus der vierten Oberfläche austritt. Das LCD-Element ist zwischen der zweiten Oberfläche der er­ sten optischen Kompensationsplatte und der dritten Oberflä­ che der zweiten optischen Kompensationsplatte angeordnet und steht mit diesen Flächen in Kontakt. Die Flüssigkristall­ schichten bestehen aus Materialien mit bezüglich den opti­ schen Polaritäten der ersten und der zweiten optischen Kom­ pensationsplatte verschiedenen optischen Polaritäten. Außer­ dem ist zum Zeitpunkt, wenn Spannung angelegt wird, die Richtung der optischen Achse einer bezüglich der ersten Oberfläche der ersten optischen Kompensationsplatte j-ten (j = 1, 2, . . . , M) optischen Kompensationsschicht im wesentli­ chen parallel zur Richtung der optischen Achse einer bezüg­ lich der ersten optischen Kompensationsplatte (M-j+1)-ten Flüssigkristallschicht des LCD-Elements ausgerichtet, und die Richtung der optischen Achse einer bezüglich der dritten Oberfläche der zweiten optischen Kompensationsplatte i-ten (i = 1, 2, . . . , N) optischen Kompensationsschicht ist zum Zeitpunkt, wenn Spannung angelegt wird, im wesentlichen zur Richtung der optischen Achse einer bezüglich der ersten optischen Kompensationsplatte (M+N-i+1)-ten Flüssigkristall­ schicht des LCD-Elements parallel ausgerichtet.
Vorzugsweise sind die Richtungen der optischen Achsen des LCD-Elements zum Zeitpunkt, wenn Spannung angelegt wird, in den einzelnen Flüssigkristallschichten im wesentlichen konstant.
Vorzugsweise ist der Absolutwert des Produkts aus dem Doppelbrechungsfaktor und der Schichtdicke der j-ten opti­ schen Kompensationsschicht der ersten optischen Kompensati­ onsplatte dem Absolutwert des Produkts aus dem Doppelbre­ chungsfaktor und der Schichtdicke der (M-j+1)-ten Flüssig­ kristallschicht des LCD-Elements im wesentlichen gleich, und der Absolutwert des Produkts aus dem Doppelbrechungsfaktor und der Schichtdicke der i-ten optischen Kompensations­ schicht der zweiten optischen Kompensationsplatte ist dem Absolutwert des Produkts aus dem Doppelbrechungsfaktor und der Schichtdicke der (M+N-i+1)-ten Flüssigkristallschicht des LCD-Elements im wesentlichen gleich.
Die Flüssigkristallschichten des LCD-Elements können wahlweise einheitlich aus verdrehten nematischen Flüssigkri­ stallen oder aus über- bzw. superverdrehten nematischen Flüssigkristallen gebildet werden.
Erfindungsgemäß weist das LCD-Element vier oder mehr Flüssigkristallschichten auf und weist jede optische Kompensationsschicht jeder der optischen Kompensationsplat­ ten an beiden Seiten des LCD-Elements eine optische Achse auf, die parallel zu derjenigen der zugeordneten Flüssigkri­ stallschicht ausgerichtet ist und deren Doppelbrechungsfak­ tor ein bezüglich demjenigen der optischen Achse der zuge­ ordneten Flüssigkristallschicht entgegengesetztes Vorzeichen aufweist. Auch wenn die Richtung der optischen Achse sich in Dickenrichtung des LCD-Elements ändert, kann der Lichtpola­ risationszustand durch die optischen Kompensationsplatten kompensiert werden. Dadurch kann die Sehempfindungs­ abhängigkeit des LCD-Elements verbessert werden, wodurch ein sehr guter Sichtanzeigezustand über einen großen Sehwin­ kelbereich gewährleistet wird.
Durch die Erfindung kann auch die Wellenlängenabhängig­ keit verbessert werden, die auftritt, wenn der Lichtdurchlaßgrad sich gemäß dem Sehwinkel ändert. Dadurch kann verhindert werden, daß das LCD-Element farbig er­ scheint, wenn der Sehwinkel geändert wird.
Nachstehend werden allgemeine Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 ein exemplarisches Diagramm zum Darstellen des Sichtanzeigeabschnitts einer erfindungsgemäßen Flüssigkri­ stallanzeige (LCD) -Vorrichtung, in der eine optische Kom­ pensationsplatte verwendet wird;
Fig. 2A und 2B exemplarische Diagramme zum Darstellen des Sichtanzeigeabschnitts einer herkömmlichen LCD-Vorrich­ tung, bei der eine optische Kompensationsplatte verwendet wird;
Fig. 3A eine Draufsicht zum Darstellen der Polarisati­ onszustände in einer ersten und einer zweiten optischen Kom­ pensationsplatte und in einem LCD-Element bei einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LCD-Vorrichtung und
Fig. 3B eine Querschnittansicht zum Darstellen der Polarisationszustände in den optischen Kompensationsschich­ ten und in den Flüssigkristallschichten;
Fig. 4 eine Draufsicht zum Darstellen der Polarisati­ onszustände in der ersten und in der zweiten optischen Kom­ pensationsplatte und in einem LCD-Element bei einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LCD-Vorrichtung;
Fig. 5A eine Draufsicht zum Darstellen der Polarisati­ onszustände in der ersten und in der zweiten optischen Kom­ pensationsplatte und in einem LCD-Element bei einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LCD-Vorrichtung und
Fig. 5B eine Querschnittansicht zum Darstellen der Polarisationszustände in den optischen Kompensationsplatten und in der Flüssigkristallschicht, wenn der LCD-Vorrichtung eine Spannung zugeführt wird;
Fig. 6 ein exemplarisches Diagramm zum Darstellen eines Verfahrens zum Herstellen des Sichtanzeigeabschnitts der dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LCD-Vorrich­ tung;
Fig. 7 ein exemplarisches Diagramm zum Darstellen der Sehempfindungsabhängigkeit der dritten Ausführungsform der LCD-Vorrichtung; und
Fig. 8 ein exemplarisches Diagramm zum Darstellen der Sehempfindungsabhängigkeit eines Vergleichsbeispiels einer LCD-Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt ein exemplarisches Diagramm zum Darstellen des Sichtanzeigeabschnitts einer erfindungsgemäßen LCD-Vor­ richtung. Der Sichtanzeigeabschnitt weist auf: eine erste optische Kompensationsplatte 1, eine zweite optische Kompen­ sationsplatte 3 und ein zwischen den Platten 1 und 3 ange­ ordnetes LCD-Element 2. Die erste und die zweite optische Kompensationsplatte 1 und 3 sind aus Materialien herge­ stellt, die andere optische Polaritäten aufweisen als die Flüssigkristallschichten des LCD-Elements 2. Bei dieser Aus­ führungsform bestehen die Flüssigkristallmoleküle des LCD- Elements 2 aus einer Zusammensetzung, deren Doppelbre­ chungsfaktor Δn optisch positiv ist (Δn <0), wohingegen die optischen Kompensationsplatten 1 und 3 aus Zusammensetzungen bestehen, deren Doppelbrechungsfaktoren Δn optisch negativ sind (Δn< 0).
Erfindungsgemäß weist die erste optische Kompensations­ platte 1 in der Dickenrichtung der Platte 1 M getrennte op­ tische Kompensationsschichten auf, und die zweite optische Kompensationsplatte 3 weist in der Dickenrichtung der Platte 3 N getrennte optische Kompensationsschichten auf. Die ein­ zelnen optischen Kompensationsschichten der ersten optischen Kompensationsplatte 1 sind von der Lichteintrittseite (erste Oberfläche) der ersten optischen Kompensationsplatte 1 aus­ gehend zur zweiten optischen Kompensationsplatte 3 durch C₁, C₂, . . . CM dargestellt. Ähnlicherweise sind die einzelnen optischen Kompensationsschichten der zweiten optischen Kom­ pensationsplatte 3 von der ersten optischen Kompensations­ platte 1 ausgehend zur Lichtaustrittseite (vierte Oberflä­ che) der zweiten optischen Kompensationsplatte 3 durch A₁, A₂, . . . AN dargestellt. Die Richtungen der optischen Achsen in diesen optischen Kompensationsschichten sind durch (i=1, 2, . . . , N) und (j=1, 2, . . . M) bezeichnet.
Die Flüssigkristall-Orientierungsstruktur, wenn dem LCD-Element 2 eine Spannung zugeführt wird, ist in der Dickenrichtung des LCD-Elements 2 in (M+N) Schichten ge­ teilt. Die einzelnen optischen Flüssigkristallschichten des LCD-Elements 2 sind von der ersten optischen Kompensations­ platte 1 ausgehend zur zweiten optischen Kompensationsplatte 3 durch B₁, B₂, . . . BM+N dargestellt, und die Richtungen der optischen Achsen dieser Flüssigkristallschichten sind durch (k = 1, 2, . . . , M+N) bezeichnet.
Nachstehend wird die optische Wirkungsweise des derart aufgebauten Sichtanzeigeabschnitts der LCD-Vorrichtung er­ läutert. In Fig. 1 wird vorausgesetzt, daß Licht auf die er­ ste Oberfläche der ersten optischen Kompensationsplatte 1 einfällt, wobei der Polarisationszustand zu dem Zeitpunkt, wenn das Licht einfällt, durch Po bezeichnet ist und die Polarisationszustände des Lichts, nachdem es die einzelnen Flüssigkristallschichten bzw. die optischen Kompensations­ schichten durchlaufen hat, durch P₁, P₂, . . . , P2M+2N be­ zeichnet sind.
Zunächst wird der Fall für senkrechten Einfall von Licht auf den Sichtanzeigeabschnitt beschrieben. Das Licht, das den Polarisationszustand Po hat, wenn es auf die erste optische Kompensationsplatte 1 auftrifft, wird, nachdem es die erste Polarisationsplatte 1 durchlaufen hat, elliptisch polarisiert (Polarisationszustand PM) Wenn das Licht mit dem Polarisationszustand PM die Schicht B₁ des LCD-Elements 2 durchläuft, ändert sich der Polarisationszustand auf PM+1. Allgemein ändert sich die Orientierungsstruktur der Flüssig­ kristallmoleküle in der Dickenrichtung des LCD-Elements 2, so daß die Richtung der optischen Achse sich ebenfalls in der Dickenrichtung ändert. Indem M und N auf genügend große Werte gesetzt werden, können daher die Flüssig­ kristallmoleküle in jeder Flüssigkristallschicht als einach­ siges optisches Anisotop behandelt werden.
Erfindungsgemäß ist die Richtung der optischen Achse der optischen Kompensationsschichten der ersten opti­ schen Kompensationsplatte 1 als näherungsweise parallel zur Richtung der optischen Achse -j+1 der Flüssigkristall­ schichten des LCD-Elements 2 definiert. D. h., die optische Achse der ersten Schicht (Schicht B₁) des LCD-Elements 2 ist parallel zur optischen Achse der letzten Schicht (Schicht CM) der ersten optischen Kompensationsplatte 1 ausgerichtet. Weil die erste optische Kompensationsplatte 1 und der Flüs­ sigkristall des LCD-Elements 2 einachsige Anisotope mit von­ einander verschiedenen optischen Polaritäten sind, hat der Doppelbrechungsfaktor der Schicht B₁ ein bezüglich dem Doppelbrechungsfaktor der Schicht CM entgegengesetztes Vor­ zeichen.
Daher wird die Richtung, in der der Polarisationszu­ stand sich von PM-1 auf PM ändert, entgegengesetzt zur Rich­ tung, in der der Polarisationszustand sich von PM auf PM+1 ändert. Wie gemäß dem vorstehenden Sachverhalt verdeutlicht wurde, werden, wenn der Absolutwert des Doppelbrechungsfak­ tors (Δnd) der ersten Schicht (Schicht B₁) des LCD-Elements 2 gleich dem Absolutwert des Doppelbrechungsfaktors (Δnd) der letzten Schicht (Schicht CM) der ersten optischen Kompensationsplatte 1 wird, die Polarisationszustände PM+1 und PM+1 einander gleich.
Anschließend trifft das Licht auf die zweite Schicht (Schicht B₁) des LCD-Elements 2 auf, wobei sich der Polarisationszustand auf PM+2 ändert. Der Doppelbrechungs­ faktor der Schicht B₂, durch den diese Änderung des Polarisationszustandes hervorgerufen wird, hat jedoch ein bezüglich des Doppelbrechungsfaktors der (M-1)-ten Schicht (Schicht CM-1) der ersten optischen Kompensationsplatte 1 entgegengesetztes Vorzeichen. Daher werden die Polarisationszustände PM+2 und PM+2 einander gleich.
Das Licht bewegt sich anschließend weiter im LCD-Ele­ ment 2, wobei die gleichen Beziehungen in jeder Flüssigkri­ stallschicht gelten, so daß, wenn das Licht die M-te Schicht des LCD-Elements 2 durchlaufen hat, der erhaltene Polarisa­ tionszustand P2M dem Polarisationszustand Po gleich ist. D. h. das einfallende Licht mit dem Polarisationszustand Po wird durch die erste optische Kompensationsplatte 1 gedreht, so daß es elliptisch polarisiertes Licht wird, das anschlie­ ßend aus der ersten optischen Kompensationsplatte 1 aus­ tritt. Wenn dieses Licht in das LCD-Element 2 eintritt, wird es in die entgegengesetzte Richtung gedreht, wobei der Polarisationszustand an der Grenzfläche zwischen der Schicht BM und der Schicht BM+1 im LCD-Element 2 wieder auf den Zu­ stand P₀ eingestellt wird, der der Polarisationszustand zu dem Zeitpunkt ist, an dem das Licht auf die erste optische Kompensationsplatte 1 aufgetroffen ist.
Wenn das Licht sich von der Schicht BM+1 des LCD-Ele­ ments 2 weiter zur zweiten optischen Kompensationsplatte 3 bewegt und aus dem LCD-Element 2 austritt, ändert sich der Polarisationszustand auf P2M+N. Bei der vorliegenden Erfin­ dung sind die Richtung der optischen Achse +N-i+1 der Flüssigkristallschichten des LCD-Elements 2 und die Richtung der optischen Achse der optischen Kompensationsschichten der zweiten optischen Kompensationsplatte 3 als näherungs­ weise parallel zueinander definiert. D.h., die optische Achse der letzten Schicht (Schicht BM+N) des LCD-Elements 2 ist parallel zur optischen Achse der ersten Schicht (Schicht A₁) der zweiten optischen Kompensationsplatte 3 ausgerich­ tet. Weil der Flüssigkristall des LCD-Elements 2 und die op­ tische Kompensationsplatte 3 einachsige Anisotope mit von­ einander verschiedenen optischen Polaritäten sind, hat der Doppelbrechungsfaktor der Schicht BM+N ein bezüglich dem Doppelbrechungsfaktor der Schicht A₁ entgegengesetztes Vor­ zeichen. Daher werden die Polarisationszustände P2M+N-1 und P2M+N+1 einander gleich.
Anschließend bewegt sich das Licht weiter in der opti­ schen Kompensationsplatte 3, wobei die gleichen Beziehungen in jeder optischen Kompensationsschicht erfüllt sind, so daß eine Änderung des Lichtzustands, während sich das Licht in der zweiten optischen Kompensationsplatte 3 ausbreitet, ei­ ner Änderung des Lichtzustands, während sich das Licht von der Schicht BM+1 zur Schicht BM+N im LCD-Element 2 bewegt, entgegengesetzt ist. Daher wird der Polarisationszustand P2M+2N des aus der zweiten optischen Kompensationsplatte 3 austretenden Lichts gleich dem Polarisationszustand P2M des auf die Schicht PM+1 im LCD-Element 2 einfallenden Lichts und ebenfalls gleich dem Polarisationszustand P₀.
Wenn linear polarisiertes Licht von der ersten opti­ schen Kompensationsplatte 1 in den Sichtanzeigeabschnitt der LCD-Vorrichtung eintritt, wird dieses daher durch die erste optische Kompensationsplatte 1 elliptisch polarisiert und durch die erste bis M-te Schicht des LCD-Elements 2 wieder in das ursprüngliche linear polarisierte Licht umgewandelt. Dieses linear polarisierte Licht wird durch die (M+1)-te bis (N+N)-te Schicht des LCD-Elements 2 elliptisch polarisiert und durch die zweite optische Kompensationsplatte 3 wieder in das ursprüngliche linear polarisierte Licht umgewandelt. Schwarz kann dargestellt werden, indem die erfindungsgemäße LCD-Vorrichtung, die aus der ersten optischen Kom­ pensationsplatte 1, dem LCD-Element 2 und der zweiten opti­ schen Kompensationsplatte 3 gebildet wird, zwischen zwei Polarisationsplatten angeordnet wird, deren Polarisations­ achsen senkrecht zueinander stehen, und der LCD-Vorrichtung eine Spannung zugeführt wird.
Wie gemäß dem vorstehenden Sachverhalt ersichtlich ist, wird, wenn Licht senkrecht auf den Sichtanzeigeabschnitt auftrifft, das einfallende Licht gleich dem austretenden Licht. Diese Erscheinung tritt auf, weil einachsige Materia­ lien, deren optische Achsen parallel zueinander ausgerichtet sind und die optisch positive und negative Polaritäten auf­ weisen, Doppelbrechungsfaktoren Δn mit entgegengesetzten Vorzeichen aufweisen. Eine ähnliche Erscheinung würde auf­ treten, wenn Licht schräg auf den Sichtanzeigeabschnitt auf­ trifft. D.h., einachsige Materialien, deren optische Achsen parallel zueinander ausgerichtet sind und die optisch posi­ tive und negative Polaritäten aufweisen, weisen entsprechend Doppelbrechungsfaktoren Δn mit entgegengesetzten Vorzeichen auf, auch wenn Licht schräg auf den Sichtanzeigeabschnitt auftrifft. Daher ist der Polarisationszustand des auf die erste optische Kompensationsplatte 1 schräg einfallenden Lichts der gleiche wie derjenige des aus der zweiten opti­ schen Kompensationsplatte 3 austretenden Lichts.
Gemäß dem vorstehenden Sachverhalt ist ersichtlich, daß Schwarz unabhängig vom Sehwinkel dargestellt werden kann, indem die erfindungsgemäße LCD-Vorrichtung, die aus der er­ sten optischen Kompensationsplatte 1, dem LCD-Element 2 und der zweiten optischen Kompensationsplatte 3 gebildet wird, zwischen zwei Polarisationsplatten angeordnet wird, deren Polarisationsachsen senkrecht zueinander stehen, und der LCD-Vorrichtung eine Spannung zugeführt wird. Weil durch die erfindungsgemäß vorgesehenen optischen Kompensationsplatten 1 und 3 Polarisationszustandsänderungen des Lichts unabhän­ gig von der Wellenlänge des einfallenden Lichts kompensiert werden können, kann die Wellenlängenabhängigkeit, die auf­ tritt, weil der Lichtdurchlaßgrad sich gemäß dem Sehwinkel ändert, verbessert werden.
Bei einem TN-Flüssigkristall unterscheidet sich bei an­ gelegter Spannung, wie vorstehend beschrieben, der Orientie­ rungszustand der Flüssigkristallmoleküle in der Nähe der Substrate, die die Wandabschnitte des LCD-Elements 2 bilden, vom Orientierungszustand der Flüssigkristallmoleküle im Mit­ telabschnitt des LCD-Elements 2 in der Dickenrichtung, so daß das LCD-Element 2 vorzugsweise einen Flüssigkristallab­ schnitt aufweisen sollte, der aus vier oder mehr Schichten (N+M 4) besteht. Die Anzahl der optischen Kompen­ sationsschichten der ersten optischen Kompensationsplatte 1 muß nicht der Anzahl der optischen Kompensationsschichten der zweiten optischen Platte 3 gleich sein. Die zweite opti­ sche Platte 3 kann beispielsweise erweitert werden, indem M = 2×N gesetzt wird.
Nachstehend wird die erste Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung erläutert, die als spezifisches Beispiel für einen normalerweise weißen TN-Flüssigkristall geeignet ist. Fig. 3A zeigt eine Draufsicht zum Darstellen der Polarisationszustände in einer ersten und einer zweiten op­ tischen Kompensationsplatte und in einem LCD-Element einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LCD-Vorrich­ tung, und Fig. 3B zeigt eine Querschnittansicht zum Darstel­ len der Polarisationszustände in den optischen Kompensationsschichten und in den Flüssigkristallschichten. Bei dieser Ausführungsform ist ein LCD-Element 12 beispiels­ weise in sechs Abschnitte in der Dickenrichtung geteilt und eine erste und eine zweite optische Kompensationsplatte 11 und 13 jeweils in drei Abschnitte geteilt. Die optischen Achsen in den einzelnen Flüssigkristallschichten sind auf eine bestimmte Richtung eingestellt. Falls diese optischen Achsen nicht auf eine Richtung eingestellt sind, kann das LCD-Element jedoch in eine größere Anzahl von Abschnitten geteilt werden, um zu ermöglichen, daß die optischen Achsen in den einzelnen Flüssigkristallschichten auf eine bestimmte Richtung eingestellt werden. In der nachstehenden Beschrei­ bung wird der Zustand von elliptisch polarisiertem Licht an einer Position q durch P(q) dargestellt.
Zunächst wird der Fall beschrieben, wenn Licht senk­ recht auf die erste optische Kompensationsplatte 11 auf­ trifft, das LCD-Element 12 durchläuft und aus der zweiten optischen Kompensationsplatte 13 austritt. Der Pola­ risationszustand des Lichts, das die erste optische Kompen­ sationsplatte 11 durchlaufen hat, an einer Position A0 ist allgemein ein elliptischer Polarisationszustand P(A0). Der Polarisationszustand des Lichts, das die erste Schicht des LCD-Elements 12 durchlaufen hat, an einer Position A1 wird P(A1). Eine Änderung des Polarisationszustands des Lichts, das sich von der Position A0 zur Position A1 bewegt hat, ist entgegengesetzt zu einer Änderung des Polarisationszustands des Lichts, das sich von der Position A-1 zur Position A0 bewegt hat. Dies ist der Fall, weil die optische Achse des Abschnitts (A-1 bis A0) in der optischen Kompensationsplatte 11 parallel zur optischen Achse des Abschnitts (A0 bis A1) des LCD-Elements 12 ausgerichtet ist und ihre Doppelbre­ chungsfaktoren Δn entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen. Da­ her wird der Polarisationszustand P(A-1) der gleiche wie der Polarisationszustand P(A1).
Ähnlicherweise wird, weil der Doppelbrechungsfaktor (Δnd) des Abschnitts (A1 bis A2) und der Doppelbrechungs­ faktor (Δnd) des Abschnitts (A-2 bis A-1) entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, der Polarisationszustand P(A-2) dem Polarisationszustand P(A2) gleich. Auf ähnliche Weise wird der Polarisationszustand P(A-3) des Lichts, wenn dieses auf die erste optische Kompensationsplatte 11 aufgetroffen ist, dem Polarisationszustand P(A3) des Lichts an der Position A3 gleich.
Diese Beziehung ist auch dann erfüllt, wenn sich das Licht von einer Position B-3 im LCD-Element 12 zu einer Position B3 in der zweiten optischen Kompensationsplatte 13 bewegt. D.h., der Polarisationszustand P(B-3) und der Polarisationszustand P(B3) werden gleich. Daher wird das auftreffende linear polarisierte Licht durch die erste opti­ sche Kompensationsplatte 11 elliptisch polarisiert und im Mittelabschnitt (Position A3) des LCD-Elements 12 wieder in das ursprüngliche linear polarisierte Licht umgewandelt. Wenn das Licht sich von der Position A3(B-3) des LCD-Ele­ ments 12 zu einer Position B0 bewegt, wird das Licht erneut elliptisch polarisiert und anschließend wieder in das ur­ sprüngliche linear polarisierte Licht umgewandelt, wenn es die zweite optische Kompensationsplatte 13 durchläuft.
Nachstehend wird der Fall beschrieben, wenn Licht schräg auf die erste optische Kompensationsplatte 11 auf­ trifft. Auch in diesem Fall werden, wie im Fall senkrecht einfallenden Lichts, durch die einachsigen Materialien, de­ ren optische Achsen parallel zueinander ausgerichtet sind und deren Doppelbrechungsfaktoren (Δn) einander entgegenge­ setzte Vorzeichen aufweisen, Änderungen (Δnd) des Doppelbre­ chungsfaktors mit dem gleichen Betrag, jedoch verschiedenen Vorzeichen verursacht. D.h., durch ein einachsiges Material mit optisch positiver Polarität wird eine Änderung des durch und dargestellten Doppelbrechungsfaktors bezüglich senkrecht auf die optische Kompensationsplatte 11 einfallenden Lichts verursacht. Dieses einachsige Material verursacht bezüglich schräg einfallenden Lichts eine Änderung des Doppelbre­ chungsfaktors, die kleiner ist als Δnd.
Ein einachsiges Material mit einer optisch negativen Polarität verursacht eine durch -Δnd dargestellte Änderung des Doppelbrechungsfaktors bezüglich senkrecht zur optischen Kompensationsplatte 11 einfallenden Lichts, und verursacht eine Änderung des Doppelbrechungsfaktors, die größer (deren Absolutwert kleiner) ist als -Δnd bezüglich schräg ein­ fallenden Lichts. Auf diese Weise kompensieren sich der Dop­ pelbrechungsfaktor der einachsigen Materialien mit optisch positiven und negativen Polaritäten gegenseitig.
Auch wenn das auf die erste optische Kompensations­ platte 11 auftreffende Licht durch die erste optische Kom­ pensationsplatte 11 elliptisch polarisiert wird, wird das Licht im Mittelabschnitt des LCD-Elements wieder in das ur­ sprüngliche linear polarisierte Licht umgewandelt. Auch wenn das Licht hinter dem Mittelabschnitt des LCD-Elements erneut elliptisch polarisiert wird, wird das Licht durch die zweite optische Kompensationsplatte 13 wieder in das ursprüngliche linear polarisierte Licht umgewandelt. Daher kann bei dieser Ausführungsform Schwarz über einen großen Sehwinkelbereich dargestellt werden, indem die erste optische Kompensations­ platte 11, das LCD-Element 12 und die zweite optische Kom­ pensationsplatte 13 zwischen zwei Polarisationsplatten ange­ ordnet werden, deren Polarisationsachsen senkrecht zueinan­ der stehen, und der LCD-Vorrichtung eine Spannung zugeführt wird. Dadurch wird die Sehwinkelabhängigkeit verbessert.
Bei einem normalerweise weißen TN-Flüssigkristall wird, wenn Schwarz dargestellt wird, der Flüssigkristall im Mit­ telabschnitt des LCD-Elements 12 in der Dickenrichtung senk­ recht eingestellt, während die optischen Achsen des Flüssig­ kristalls in der Nähe der Substrate 14a und 14b, die die Wände des LCD-Elements 12 bilden, parallel zu den Substraten 14a und 14b ausgerichtet sind. D.h., die Ausrichtung der op­ tischen Achse des Flüssigkristalls ändert sich ausgehend vom Zustand parallel zum Substrat 14a in der Dickenrichtung des LCD-Elements 12 auf eine senkrechte Orientierung, während die optische Achse innerhalb der Ebene gedreht wird, und mit zunehmender Annäherung an das Substrat 14b wieder auf den parallelen Zustand bezüglich des Substrats 14b. Daher müssen auch die optischen Achsen der einzelnen optischen Kompensa­ tionsschichten in der ersten und in der zweiten optischen Kompensationsplatte 11 und 12 in ihren Ebenen gedreht wer­ den.
Obwohl vorstehend der Fall beschrieben wurde, bei dem ein normalerweise weißer TN-Flüssigkristall verwendet wird, kann die gleich Beschreibung auch allgemein für eine Kombination aus einer beliebigen Flüssigkristallstruktur und der oberen und der unteren optischen Kompensationsplatte angewendet werden. Beispielsweise ist die erfindungsgemäße LCD-Vorrichtung auch für einen super- oder überverdrehten nematischen (STN) Flüssigkristall geeignet.
Nachstehend wird die zweite Ausführungsform der Erfin­ dung diskutiert, die für einen STN-Flüssigkristall geeignet ist. Fig. 4 zeigt eine Draufsicht zum Darstellen der Polari­ sationszustände in einer ersten und in einer zweiten opti­ schen Kompensationsplatte und in einem LCD-Element einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LCD-Vorrich­ tung, wenn der LCD-Vorrichtung eine Spannung zugeführt wird. Gemäß Fig. 4 wird im LCD-Element 22 ein STN-Flüssigkristall mit einem Verdrehwinkel von 240 Grad (im Uhrzeigersinn von 210 Grad bis -30 Grad verdreht) verwendet. Dieser Flüssigkristall hat eine optisch positive Polarität. Bei dieser Ausführungsform hat eine erste optische Kompensati­ onsplatte 21 daher eine Zusammensetzung mit einer optisch negativen Polarität und eine optische Achse, die im Uhrzei­ gersinn von 90 Grad bis 210 Grad verdrehbar ist. Eine zweite optische Kompensationsplatte 23 hat eine Zusammensetzung mit einer optisch negativen Polarität und eine optische Achse, die im Uhrzeigersinn von -30 Grad bis 90 Grad verdrehbar ist.
Wenn dem LCD-Element 22 mit dem derartigen STN- Flüssigkristall eine Spannung zugeführt wird, kann daher Schwarz über einen großen Sehwinkelbereich dargestellt und verhindert werden, daß der STN-Flüssigkristall farbig wird, wodurch eine Schwarz/Weiß-Sichtanzeige gewährleistet wird.
Nachstehend wird die dritte Ausführungsform der Erfin­ dung beschrieben, die für einen normalerweise schwarzen TN- Flüssigkristall geeignet ist. Fig. 5A zeigt eine Draufsicht zum Darstellen der Polarisationszustände in der ersten und in der zweiten optischen Kompensationsplatte und in einem LCD-Element bei einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LCD-Vorrichtung, wenn der LCD-Vorrichtung eine Spannung zugeführt wird, und Fig. 5B zeigt eine Quer­ schnittansicht zum Darstellen der Polarisationszustände in den optischen Kompensationsplatten und in der Flüssigkri­ stallschicht, wenn der LCD-Vorrichtung eine Spannung zuge­ führt wird. Fig. 6 zeigt ein exemplarisches Diagramm zum Darstellen eines Verfahrens zum Herstellen des Sichtanzeige­ abschnitts der dritten Ausführungsform einer erfindungsgemä­ ßen LCD-Vorrichtung.
Zunächst werden Polyamid-Dünnfilme (AL1051, hergestellt von Japan Synthetic Rubber Co., Ltd, nicht dargestellt) auf zwei Glassubstraten 34a und 34b ausgebildet, auf denen transparente leitfähige Dünnfilme (ITO) ausgebildet sind. Die Oberflächen der Polyamid-Dünnfilme werden gerieben, um den Orientierungszustand der Flüssigkristalle, die mit die­ sen Flächen in Kontakt stehen, auf den gewünschten Zustand einzustellen. Daraufhin werden die beiden Glassubstrate der­ art angeordnet, daß die Seiten, auf denen die Polyamid- Dünnfilmseiten ausgebildet sind, nach innen gerichtet sind, und mittels eines Abstandselements (Micropearl, hergestellt von Sekisui Chemical Co., Ltd., nicht dargestellt) durch einen durch ultraviolette Strahlen aushärtenden Klebstoff festgeklebt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Durchmesser des Abstandselements so eingestellt, daß die Zellendicke bei­ spielsweise 6 µm wird.
Anschließend wird zwischen die beiden Glassubstrate in einem Vakuumtank ein nematischer Flüssigkristall 37 einge­ spritzt bzw. injiziert. Bei dieser Ausführungsform wurde ein Flüssigkristall verwendet, der durch Beimischen von 0.5 Gew.-% cholesterischem Flüssigkristall mit einer linksdre­ henden spiralförmigen Struktur Z1I-4792 (Merck & Co., Inc.; Δn = 0.0969) erhalten wurde. Daraufhin wird der Zwischenraum zwischen den beiden Glassubstraten 34a und 34b durch Verwen­ dung eines durch ultraviolette Strahlen aushärtenden Kleb­ stoffs abgedichtet, wodurch ein LCD-Element 32 erhalten wird.
Die optischen Achsen der ersten und der zweiten opti­ schen Kompensationsplatte 31 und 33 sind bezüglich der opti­ schen Achse des im LCD-Element 32 verwendeten Flüssigkri­ stalls in entgegengesetzte Richtungen verdreht, und die op­ tischen Kompensationsplatten 31 und 33 werden so herge­ stellt, daß sie eine optische Struktur mit einem Verdrehwin­ kel von 45 Grad und einem negativen Doppelbrechungsfaktor Δn aufweisen. Weil der Doppelbrechungsfaktor Δnd des bei dieser Ausführungsform verwendeten TN-Flüssigkristals etwa 0.58 be­ trägt, können die Doppelbrechungsfaktoren Δnd der ersten optischen Kompensationsplatte 31 und der zweiten optischen Kompensationsplatte 33 auf einen Wert von etwa -0.29 einge­ stellt werden.
Die erste und die zweite optische Kompensationsplatte 31 bzw. 33 wurden durch Laminieren von zehn Polystyrolfilmen 35 hergestellt, die jeweils einen Doppelbrechungsfaktor Δnd von -0.029 aufwiesen und in der einachsigen Richtung ge­ streckt waren. Wie in Fig. 6 dargestellt, wurden die erste und die zweite optische Kompensationsplatte 31 und 33 je­ weils gebildet, indem die Ziehrichtungen der zehn Polysty­ rolfilme 35 derart versetzt wurden, daß die Ziehrichtung des ersten Polystyrolfilms 35 und die Ziehrichtung des zehnten Polystyrolfilms 35 einen Winkel von 45 Grad bilden und die zehn Polystyrolfilme 35 eine rechtsdrehend spiralförmige Struktur bilden.
Um die Vorteile der Erfindung nachzuweisen, wurde die Sehwinkelabhängigkeit des Lichtdurchlaßgrades für einen Fall bestimmt, bei dem der Sichtanzeigeabschnitt der dritten Aus­ führungsform der LCD-Vorrichtung zwischen zwei Polarisa­ tionsplatten (nicht dargestellt) mit senkrecht zueinander stehenden Polarisationsachsen angeordnet war. Außerdem wurde die Sehwinkelabhängigkeit des Lichtdurchlaßgrades für einen Fall bestimmt, bei dem, als Vergleichsbeispiel, nur ein TN- Flüssigkristallelement zwischen zwei Polarisationsplatten mit senkrecht zueinander stehenden Polarisationsachsen ange­ ordnet war.
Fig. 7 zeigt ein exemplarisches Diagramm zum Darstellen der Sehempfindungsabhängigkeit der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen LCD-Vorrichtung, und Fig. 8 zeigt ein exemplarisches Diagramm zum Darstellen der Sehempfindungsab­ hängigkeit des Vergleichsbeispiels einer LCD-Vorrichtung. Wie in Fig. 7 und 8 dargestellt, beträgt der Lichtdurchlaß­ grad des Vergleichsbeispiels der LCD-Vorrichtung 5.5%, wo­ hingegen der Lichtdurchlaßgrad der dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LCD-Vorrichtung 0.6% beträgt, wenn der Azimut- oder Seitenwinkel 0 Grad und der Polarwinkel 50 Grad beträgt. Die dritte Ausführungsform einer erfindungsge­ mäßen LCD-Vorrichtung weist eine sehr gute Sehempfindungsab­ hängigkeit auf.

Claims (4)

1. Flüssigkristall-Sichtanzeigevorrichtung mit:
einer ersten optischen Kompensationsplatte, die aus M optischen Kompensationsschichten besteht (wobei M eine ganze Zahl ist, die gleich oder größer als 2 ist) und eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, wo­ bei Licht auf die erste Oberfläche auftrifft;
einer zweiten optischen Kompensationsplatte, die aus N optischen Kompensationsschichten besteht (wobei N eine ganze Zahl ist, gleich oder größer als 2 ist) und eine dritte und eine vierte Oberfläche aufweist, wobei Licht aus der vierten Oberfläche austritt;
einem zwischen der zweiten Oberfläche der ersten optischen Kompensationsplatte und der dritten Oberflä­ che der zweiten optischen Kompensationsplatte angeord­ neten und mit diesen Flächen in Kontakt stehenden Flüs­ sigkristall-Sichtanzeigeelement, das (M+N) Flüssigkri­ stallschichten aufweist, die aus Materialien herge­ stellt sind, die andere optische Polaritäten als die erste und die zweite optische Kompensationsplatte auf­ weisen, wobei die Richtung der optischen Achse einer bezüglich der ersten Oberfläche der ersten optischen Kompensationsplatte j-ten (j = 1, 2, . . . , M) optischen Kompensationsschicht im wesentlichen parallel zur Rich­ tung der optischen Achse einer bezüglich der ersten optischen Kompensationsplatte (M-j+1)-ten Flüssigkri­ stallschicht des Flüssigkristall-Sichtanzeigeelements ausgerichtet ist, wenn eine Spannung zugeführt wird, und die Richtung einer optischen Achse einer bezüglich der dritten Fläche der zweiten optischen Kompensations­ platte i-ten (i = 1, 2, . . . , N) optischen Kompensationsschicht im wesentlichen parallel zur Rich­ tung der optischen Achse einer bezüglich der ersten op­ tischen Kompensationsplatte (M+N-i+1)-ten Flüssigkristallschicht des Flüssigkristall-Sichtanzei­ geelements ausgerichtet ist, wenn eine Spannung zu­ geführt wird.
2. Flüssigkristall-Sichtanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Richtungen der optischen Achsen, wenn eine Spannung zugeführt wird, in einzelnen Flüssigkristall­ schichten im wesentlichen konstant sind.
3. Flüssigkristall-Sichtanzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Absolutwert eines Produkts aus dem Doppelbrechungsfaktor und der Schichtdicke der j-ten optischen Kompensationsschicht der ersten optischen Kompensationsplatte dem Absolutwert eines Produkts aus dem Doppelbrechungsfaktor und der Schichtdicke der (M-j+1)-ten Flüssigkristallschicht des Flüssigkristall- Sichtanzeigeelements im wesentlichen gleich ist und der Absolutwert eines Produktes aus dem Doppelbrechungsfak­ tor und der Schichtdicke der i-ten optischen Kompensa­ tionsschicht der zweiten optischen Kompensationsplatte dem Absolutwert eines Produkts aus dem Doppelbrechungs­ faktor und der Schichtdicke der (M+N-i+1)-ten Flüssig­ kristallschicht des Flüssigkristall-Sichtanzeigeele­ ments im wesentlichen gleich ist.
4. Flüssigkristall-Sichtanzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Flüssigkristallschichten einheitlich aus verdrehten nematischen Flüssigkristal­ len oder aus superverdrehten nematischen Flüssigkri­ stallen gebildet sind.
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