JP2001510586A - 多数のピクセルを備えた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 液晶セルと、液晶セルの上側及び下側に配置された偏光子（Ｐ１，Ｐ２）とからなる複数のピクセルを備えた液晶表示装置が提案され、その際、この液晶セルは透明電極を備えた二枚の基板（ＤＳ，ＧＳ）及びその基板間に封入された液晶を有する。液晶表示装置の光学特性、例えば透過率及びコントラストの視野角依存性を補償するために、本発明により各ピクセルを少なくとも２つのサブピクセルに分割し、そのサブピクセル内で液晶は異なる配向を示し、かつ少なくとも１つの偏光子と液晶との間に異なる屈折率ｎ_e、ｎ_o、ｎ_zを有する二軸性位相差層（Ｖ１，Ｖ２）が配置されている。この場合、屈折率ｎ_zは位相差層中で液晶セルの法線に対してほぼ並行の軸を生じる。

Description

【発明の詳細な説明】 多数のピクセルを備えた液晶表示装置 本発明は、請求項１の上位概念による液晶セル及び偏光子からなる多数のピク セルを備えた液晶表示装置に関する。 従来の技術： 液晶表示装置は多種多様な実施態様が公知である。最も頻繁にはＳＴＮ−及び ＴＮ−液晶セルが使用される。ＳＴＮは超ねじれネマティックを表し、ＴＮはね じれネマティックを表す。 ねじれネマティックという用語で、ねじれネマティック液晶相が利用されるこ とを表現される。 従来のＴＮ−表示装置の構造は、図３ａもしくは３ｂに記載されている。それ ぞれ透明電極で被覆されているガラスプレート間に液晶が封入されている。この 液晶分子は縦長の棒によって表されている。配向層によって液晶分子は基板間で ９０°だけねじれた螺旋状に配置されるように配向させる。ガラスプレートの外 側にそれぞれ偏光フィルタが設置されており、偏光フィルタの透過優先方向は図 ３においてそれぞれ二重矢印により示されている。光が入射する側では偏光子が 存在し、光が透過する側には検光子が存在する。図３ａに示された電圧無印加状 態では、偏光された光がセ ルに入射し、９０°の液晶分子螺旋構造に基づき同様に９０°だけねじれて、検 光子を通過して出てくる。液晶表示は電圧無印加状態では透過状態であり、「ノ ーマリーホワイト表示」と呼ばれる。電極間に十分な電圧を印加した場合、液晶 分子は電場に対して平行に整列し、それにより入射光はほとんど影響されず、従 って検光子により吸収される。この状態で液晶表示は暗状態である。「ノーマリ ーホワイト表示」では、光透過性は電圧の増加と共に減少する。従って、特定の 電圧で一義的に限定された透過率ひいては灰色値（グレー階調）を割り当てるこ とができる。しかしながら、従来の液晶表示装置においては、透過率ひいてはグ レー階調は視野角に依存する。視野角は図４に示したように偏光座標を用いて一 義的に表すことができる。この場合、表示面中にある角度φは０〜３６０°であ る。角度θは０〜最大９０°の範囲の値を有し、液晶表示装置の法線から視角が どの程度傾斜しているかを示す。図６ａにおいて、φ＝０°での傾斜角θに依存 する透過率及び４つの異なるグレー階調ｇ１〜ｇ４が示されている。φ＝＋／− ２７°で既にＴ（ｇ４）＞Ｔ（ｇ３）である。この位置で不所望なグレー階調反 転が存在することを意味する。図６ｂはφ＝９０°での傾斜角θに依存する透過 率Ｔを示す。ここでは、θ＞１２°の角度で既にグレー階調反転が生じる。グレ ー階調と同様に、液晶表示装置のコントラストもθ及 びφの関数である。このコントラストは最大透過率対最小透過率の割合として定 義される。グレー階調反転の評価と同様に、各φに対して、コントラストが最小 コントラストより大きいθの領域を見出すことができる。 θ及びφの関数についての外観をコノスコープダイアグラムで示す（図５参照 ）。ここでは傾斜角θ及び角度φが円板上に示されており、その際、θは半径成 分に相当し、φは方位角に相当する。このダイアグラムにはグレー階調反転につ いての結果並びにコントラスト値も記入することができる。適当な視野角領域と して、一般に領域（横線及び縦線が引かれた面）、その際、最小コントラストを 下回らない領域（図５中の横線が引かれた面参照）及びグレー階調反転が起こら ない領域（図５中の縦線が引かれた面参照）が定義される。コントラスト面の境 界線はＩＳＯコントラスト曲線といわれる。図５から明らかなように、従来のＴ Ｎ−液晶表示装置は特別な手段なしでは著しく狭い適正な視野角領域（横線及び 縦線の引かれた面）を提供するにすぎない。 この領域を拡大するために、現在多様な解決原理が使用されている。 欧州特許出願公開（ＥＰ−Ａ１）第６４６８２９号明細書中には、視野角領域 の拡大のために、補償層の使用が提案されている。この層は主成分としてディス コチック位相差フィルムを有し、この位相差フィルムはディスコチック液晶から 製造される。 このようなフィルムは光学的に一軸であり、この場合、常光線屈折率ｎ_oは異 常光線屈折率ｎ_eよりも大きい。従って、リターデイションＶ_R＝ｄ_R・（ｎ_e−ｎ_o ）は負である（ｄ_Rはフィルムの厚さ）。このフィルムのリターデイションの値 は値としては液晶層のリターデイションの値と同じであるが、この値は正負の逆 の符号がついている。本願明細書中に記載された位相差層によって、液晶中のバ ルク材料を通した複屈折の補償の他に、液晶セルの基板表面に接して存在し、特 に基板表面に対して特定の傾き角（プレチルト）を有する液晶周辺分子により引 き起こされる複屈折を補償する。このディスコチック位相差フィルムは所望の補 償効果のために常に液晶の配向に適合していなければならない。この種のフィル ムをセルと偏光フィルタとの間に設置した場合、適正な視野角領域を明らかに改 善することができる。 適正な視野角領域を改善するもう一つの方法は、コントラストの視野角に依存 する非対称性及びグレー階調反転の視野角依存に関する非対称性（図５参照）を 補償することである。この非対称性は液晶分子の非対称の整列によって実現され る。液晶セルの対称な視野角領域を得る一つの方法は、各ピクセルを２つのサブ ピクセルに分割することよりなり、これらのサブピク セルは各々液晶分子の反対の配向を有し、その結果第１のサブピクセルの視野角 領域は第２のサブピクセルの視野角領域に対して１８０°だけ回転している（図 ７、２分割法、K.H．Yang:Record 1991 Int．Display Res．Conf.，San Diago， Californien）。それによって、サブピクセルの非対称の視野角領域は相互に補 償し合って全体で比較的小さいがほぼ点対称の視野角領域になる（図８参照）。 この視野角領域を、欧州特許出願公開（ＥＰ−Ａ１）第６４６８２９号明細書に 開示されているような補償フィルムを用いてさらに拡大することは原則として行 われない、それというのもディスコチック層は液晶の一定の配向に適合されてお り、ひいてはそれぞれ一方のサブピクセルだけを補償できるにすぎないためであ る。 これに対してさらに、ピクセルを４つのピクセルに分割する方法も存在する（ ４分割法）。この場合、各サブピクセルは異なる配向を有し、例えば基板側で対 角の隣接するサブピクセル領域で液晶分子は相互に１８０°だけ回転して配向し ている（これについて図１０参照）。４分割法の場合の技術的費用は２分割法の 場合よりも著しく高いが、比較的広い適切な視野角領域が達成される（これにつ いて図１１参照）。 この方法の場合でも、上記した補償層による適正な視野角領域の改善は既に前 記した理由から行われない。 本発明の根底をなす課題はできるだけ大きな視野角領域が提供される液晶表示 装置を提供し、その際グレー階調反転が起こらずかつこのコントラストも最小値 （例えば１０）を上回ることであった。 前記課題は、請求項１の特徴部により解決される。 従属形式請求項において、本発明の液晶表示装置の有利な実施態様が示される 。 本発明は、液晶セル及び液晶セルの上側並び下側に配置された偏光子からなる 複数のピクセルを有する液晶表示装置から出発し、その際、液晶セルは透明電極 を備えた２つの基板及びその間に封入された液晶を有する。本発明の基礎は、各 ピクセルがが少なくとも２つのサブピクセルに分割されており、そのサブピクセ ルにおいて液晶は異なる配向を有し、少なくとも一方の偏光子と液晶との間には 、液晶表示装置の光学特性、例えば透過率及びコントラストの視野角依存を補償 するために異なる屈折率ｎ_e、ｎ_o、ｎ_zを有する光学的二軸性位相差層が設置さ れており、その際、屈折率ｎ_zは位相差層中で液晶セルの法線に対してほぼ並行 の軸方向で生じる。このように、「多分割法」の利点は液晶セル中の複屈折のリ ターデイションを補償する層と組み合わせることができる。光学的二軸性に基づ き、特に液晶セル中で基板表面に対して配置された液晶周辺分子の屈折挙動を所 望のように補償することができ、それにより特に有効な補償を達成することがで きる。この場合、液晶分子の基本的な配向が考慮されるが、１８０°反対の液晶 分子の配向が許容され、最終的に異なる配向のサブピクセルのための位相差層の 使用の可能性も許容される。さらに、本発明による位相差層は「多分割法」との 組合せにおいて、特に感光層の照射による液晶分子の配向の際に比較的類似の有 効な補償層（例えばディスコチック位相差フィルム）に対する安価な代替物であ る。 視野角依存性の特に有効な補償を得るために、さらに二軸位相差層の屈折率ｎ_e 、ｎ_o、ｎ_zがｎ_e−ｎ_o＞０でありかつｎ_z−ｎ_o＜０であるように設定すること が提案される。 液晶表示装置の比較的簡単な構造を得るために、さらに位相差層を液晶セル上 で、偏光子と液晶セルとの間に設置することが提案される。 特にコンパクトな構造のために、位相差層が液晶セル中の液晶と基板との間に 配置されている場合が有利である。 特に簡単でかつコンパクトな構造は、基板自体が位相差層を形成する場合に生 じる（適当なリターデイションを有するプラスチック基板）。 高い対称性を補償するために、さらに位相差層を液晶と偏光子との間に両面に 設置することが提案される。 両面に適用された位相差層において、次の寸法規定 を満たす場合が有利である： ７０ｎｍ＜（ｎ_e−ｎ_o）・ｄ＜２００ｎｍ及び−２００ｎｍ＜（ｎ_z−ｎ_o）・ ｄ この場合、ｄは位相差層の厚さである。位相差層は片側だけに存在する場合、補 償効果の明らかな悪化なしに、ｎｍで記載した値を主に当てはめることができる 。 特に有利な実施態様において、位相差層として１以上のプラスチックフィルム が使用される。例えば一方向であるが、飽和まで延伸していないプラスチックフ ィルムからなる位相差層を使用することができる。同様に二方向に延伸したプラ スチックフィルムからなる位相差層を使用することもできる。最後に、１以上の 一軸性ポジティブフィルム及び１以上の一軸性ネガティブフィルムからなる組合 も可能である。位相差フィルムは簡単に、例えば積層することで設置されるとい う利点を有する。 この位相差層はホログラフィー素子により又は液晶性ポリマーの形で実現する こともできる。 ピクセルのサブピクセル中で、個々のサブピクセルの視野角領域がより対称性 の高い視野角領域に補償されるように液晶を配向させるのが特に有利である。２ つのサブピクセルに分割されているピクセルを有するＴＮ−液晶セルにおいて、 これは次のように行うことができる： 上側基板上のサブピクセルの液晶周辺分子の傾き角が逆である、 両方の基板上のサブピクセルの液晶周辺分子の傾き角が逆である、 下側基板上のサブピクセルの液晶周辺分子の傾き角が大きく異なる、 上側基板上のサブピクセルの液晶周辺分子の傾き角が大きく異なる、又は 下側及び上側基板上のサブピクセルの液晶周辺分子の傾き角が大きく異なる。 この場合、ＴＮ−セルのねじれ角は８０〜１００°であることができる。 基板表面に接する液晶分子の配向は配向層の機械的ラビングにより行うことが できる。 特に有利な１実施態様において、基板表面に接する液晶分子の配向のために感 光層が使用され、この場合、液晶分子の優先方向が照射プロセスにより決定され る。 高いコントラストを達成するために、さらにサブピクセル間の境界領域をマス キングにより遮蔽することが提案される。 有利な１実施態様において、各ピクセルはスイッチ素子、例えば薄膜トランジ スタ、薄膜ダイオード又は 金属−絶縁体−金属ダイオードを有している。 もう一つの有利な実施態様において、各画素中に薄膜トランジスタ及びメモリ コンデンサが設置されており、その際、メモリコンデンサの少なくとも１つの電 極が導電性の光透過性層によって実現されており、この層がサブピクセル間の境 界領域を遮蔽している。この方法により、液晶表示装置の同じ開口率でサブピク セル間の境界領域についての遮蔽が実現される。 図： 本発明の多様な実施例を図面で示し、次の記載において、更なる利点及び細部 を示しながら詳細に説明する。 図１は本発明による液晶表示装置の構造を示す略図であり、 図２は本発明による光学的二軸位相差フィルム中の屈折率の整列を示す図であ り、 図３ａ及びｂは従来のねじれネマティック（Twisted Nematic）液晶表示装置 の構造を示す略図であり、 図４は視野角の測定のための座標の具体化のためのモデル図であり、 図５は従来のネマティック液晶セルのコントラスト及びグレー階調反転の視野 角依存性を示す図であり、 図６ａ及びｂは異なるグレー階調調節についての傾斜角θに依存する透過率の 推移をグラフで示す図であり、 図７は２つのサブピクセルに分割されたピクセルについての液晶周辺分子の原 則的配向を示す図であり、 図８は位相差層なしでの図７による液晶分子の配向についてのコントラスト及 びグレー階調反転の視野角依存性を示す図であり、 図９は本発明による二軸性位相差層を用いた図７による配向についてのコント ラスト及びグレー階調反転の視野角依存性を示す図であり、 図１０はピクセルを４つのサブピクセルに分割した場合の上側基板及び下側基 板上の液晶周辺分子の配向を示す図であり、 図１１は位相差層なしでのコントラスト及びグレー階調反転の視野角依存性に ついての図１０によるダイアグラムで示す図であり、及び 図１２は本発明による光学的二軸性位相差層を用いたコントラスト及びグレー 階調反転の視野角依存性についての図１０によるダイアグラムで示す図である。 実施例の記載： 実施例の記載についての出発点は、図３ａ及びｂによる従来のねじれネマティ ック（Twisted Nematic）液晶表示装置である。２枚のガラス基板１、２間に９ ０°だけねじれた液晶が存在し、この縦長の液晶分子を棒３によって表す。ガラ ス基板上にはそれぞれ偏光子４、５が設置されている。偏光子の透過方向（二重 矢印で示した）は液晶分子の長軸の方向とそれぞれ一 致し、この方向はこのため９０°だけねじれている。図３ａでは電圧無印加状態 を表し、入射光（幅の広い矢印で示す）は液晶螺旋構造に基づき９０°だけ回転 し、それにより偏光子５を妨げられることなしに透過することができる。このセ ルは光透過性であり、明状態を示す。電圧が印加された場合、液晶分子はその誘 電異方性により電場中で配向するため、下からの入射光は妨げられることなしに 液晶セルを透過するが偏光子５で吸収される。この状態では液晶セルは暗状態を 示す。 液晶セルにおける不所望な効果は、特にグレー階調及びコントラストの視野角 依存性である。視野角の規定のために、図４において示した座標を採用する。規 範平面Ｓ内にある角度φは０〜３６０°であり、それに対して角度θは液晶法線 （ｚ）からの傾斜角を表す。図５、６ａ及び６ｂに関しては発明の詳細な説明の 導入部分に記載されている。図５において、適正視野角領域と見なされる従来の ＴＮ−セルの縦線領域及び横線領域は改善する必要がある。 このため、図１による液晶表示装置の本発明による構造が使用される。下側基 板（ＧＳ）及び上側基板（ＤＳ）の間に液晶が存在し、この液晶周辺分子の長軸 は下側基板もしくは上側基板上に記入された矢印と一致する配向である。下側基 板及び上側基板によって形成された液晶セルの上側及び下側上にそれぞれ位相差 層Ｖ１、Ｖ２が設置されている。位相差層中の異常軸（ｎ_e）は、それぞれ矢印 により表されており、その際、この軸は隣接する基板に接する液晶分子の配向に 対して垂直方向に延びる（位相差層中のその他の光学的軸の状態は図２参照）。 最後に、位相差層Ｖ１及びＶ２上に偏光フィルタＰ１もしくはＰ２が設置されて おり、このフィルタの吸光軸は相応して隣接する基板における液晶分子の配向に 対してそれぞれ平行に延びている（破線の二重矢印）。前記の方向の間での正確 な垂直の配向もしくは平行な配向の他に、下側基板及び上側基板に対してそれぞ れ、基板表面上に投影された液晶周辺分子の異常軸は偏光子の吸収軸と共に０° 〜５°の角度を有し、位相差層の異常軸は偏光子の吸収軸と共に８５°〜９０° の角度を有する。 本発明の場合、図７によるピクセルはサブピクセルに分割され、この場合、隣 接するサブピクセル６、７は象徴的に示された分子長軸８に相応して１８０°反 対に配向している。この種の配向はグレー階調反転もしくは最小コントラストを 上回らない面積の縁取り線（図８参照）のほぼ点対称の広がりが生じる。グレー 階調反転が生じていない領域は、図８中では×印を備えた線により表され、一方 、１０の最小コントラストについての等コントラスト曲線は□印により規定され る。 本発明による位相差フィルムの付加的使用により、 個々の領域、特にコントラストが最小コントラストを下回らずかつグレー階調反 転が生じないような交差する領域が明らかに拡大される（図９参照）。 コントラスト及びグレー階調反転の視野角依存性に関するより良好な出発状況 は、ピクセルを図１０に従って４つのサブピクセルに分割することにより達成さ れる。図１０に示された分子長軸８の配向により、４つの全てのサブピクセルに ついて液晶の異なる配向が生じる。それにより、コントラスト及びグレー階調反 転の視野角依存性の対称性はなおいくらか改善され、特にコントラストが最小コ ントラストを下回らずかつグレー階調反転が生じない交差する面が著しく拡大す る。付加的に本発明による光学的二軸位相差フィルムを使用した場合、図１２の ダイアグラムに示したように、コントラスト及びグレー階調反転に関するなおい っそうの改善が生じる。ほぼ６５°の傾斜角θまで最小コントラスト（実施例に おいて１０のコントラスト）を下回るコントラストの箇所が生じていない。同様 に、視角φに依存してほぼ６５°の傾斜角θまでグレー階調反転は生じていない 。 本発明による二軸位相差層は、従って「多分割法」の付加的適用下で優れた視 野角依存性を可能にする液晶表示装置を作成することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 液晶セル及び前記液晶セルの上側及び下側に配置されている偏光子（４， ５）からなり、前記液晶セルは透明電極を備えた２つの基板（１，２）及び前記 基板の間に封入された液晶（３）を有する多数のピクセルを備えた液晶表示装置 において、各ピクセルが少なくとも２つのサブピクセル（６，７）に分割されて おり、サブピクセル内で液晶は異なる配向を示しかつ少なくとも一方の偏光子（ ４，５）と液晶（３）との間に異なる屈折率（ｎ_e，ｎ_o，ｎ_z）を有する光学的 二軸位相差層（Ｖ１，Ｖ２）が液晶表示装置の光学的特性、例えば透過率及びコ ントラストの視野角依存性の補償のために設置されており、その際、位相差層中 で第１の屈折率（ｎ_z）は液晶セルの法線に対してほぼ並行の軸方向を生じ、第 ２の屈折率（ｎ_e）は相応して隣接する基板に接する液晶分子の配向に対してほ ぼ垂直の軸方向を生じることを特徴とする多数のピクセルを備えた液晶表示装置 。 ２． 二軸性位相差層の屈折率ｎ_e，ｎ_o，ｎ_zにおいてｎ_e−ｎ_o＞０であり、ｎ_z −ｎ_o＜０である、請求項１記載の液晶表示装置。 ３． 液晶セル上の位相差層が偏光子（４，５）と液晶セルとの間に配置されて いる、請求項１又は２記 載の液晶表示装置。 ４． 液晶セル中の位相差層が液晶（３）と基板（１，２）との間に配置されて いる、請求項１から３までのいずれか１項記載の液晶表示装置。 ５． 位相差層が液晶（３）と偏光子（４，５）との間で両面に配置されている 、請求項１から４までのいずれか１項記載の液晶表示装置。 ６． 両面に設置された位相差層において、位相差層が次の特性を有する：７０ ｎｍ＜（ｎ_e−ｎ_o）・ｄ＜２００ｎｍ及び−２００ｎｍ＜（ｎ_z−ｎ_o）・ｄ＜０ 、その際、ｄは位相差層の厚さである、請求項１から５までのいずれか１項記載 の液晶表示装置。 ７． 片面に設置された位相差層においてナノメータで示された値がほぼ不変で ある、請求項６記載の液晶表示装置。 ８． 位相差層として１以上のプラスチックフィルムを使用することができる、 請求項１から７までのいずれか１項記載の液晶表示装置。 ９． 位相差層として一方向性であるが、飽和するまでは延伸されていないプラ スチックフィルムが設置されている、請求項８記載の液晶表示装置。 １０．位相差層が二方向性に延伸されたプラスチックフィルムである、請求項８ 記載の液晶表示装置。 １１．位相差層が１以上の一軸性ポジティブフィルムと１以上の一軸性ネガティ ブフィルムとからの組合 せにより実現されている、請求項８から１０までのいずれか１項記載の液晶表示 装置。 １２．位相差層がホログラフィー素子により実現されている、請求項１から１１ までのいずれか１項記載の液晶表示装置。 １３．位相差層が液晶ポリマーの形で実現されている、請求項１から１２までの いずれか１項記載の液晶表示装置。 １４．ピクセルのサブピクセル内で液晶が、個々のサブピクセルの視野角領域が 補償されほぼ点対称の視野角領域になるように異なって配向されている、請求項 １から１３までのいずれか１項記載の液晶表示装置。 １５．液晶セルがＴＮ−セルであり、その際、ねじれ角が８０°〜１００°であ る、請求項１から１４までのいずれか１項記載の液晶表示装置。 １６．基板表面上での液晶分子の配向のために感光層が使用可能であり、その際 、それに接して堆積した液晶分子の優先方向は照射プロセスにより決定可能であ る、請求項１から１５までのいずれか１項記載の液晶表示装置。 １７．サブピクセル間の境界領域がマスキングにより遮蔽されている、請求項１ から１６までのいずれか１項記載の液晶表示装置。 １８．各ピクセルがスイッチ素子を有する、請求項１ から１７までのいずれか１項記載の液晶表示装置。 １９．各ピクセルが薄膜トランジスタとメモリコンデンサを有し、その際、メモ リコンデンサの少なくとも１つの電極が導電性の光透過性層により実現されてお り、この層がサブピクセル間の境界領域を遮蔽する、請求項１から１８までのい ずれか１項記載の液晶表示装置。