JP2005173585A - 液晶表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】それぞれの透過軸がたがいに略垂直の位置関係にある一対の偏光子の間に、少なくとも光学異方体及び液晶セルを有する液晶表示装置であって、光学異方体が固有複屈折値が負である材料層からなり、光学異方体の面内の遅相軸が近接する偏光子の透過軸と略平行又は略垂直の位置関係にあることを特徴とする液晶表示装置。
【選択図】図1
Description
2枚の偏光子の透過軸が上下方向と左右方向を指して直交するように配置された液晶表示装置では、上下左右方向から画面を見るときは、十分なコントラストが得られる。しかし、上下左右から外れた方向から画面を斜めに見ると、透過光が複屈折を生じて光が洩れるために、十分な黒が得られず、コントラストが低下してしまう。このために、液晶表示装置に光学補償手段を加えて、画面のコントラストの低下を防止する試みがなされている。
例えば、インプレーンスイッチングモードのアクティブマトリクス型液晶表示装置において、正面方向の特性を低下させることなく、方位角45°の方向から画面を斜めに見るときのコントラストの低下を防止する液晶表示装置として、第1偏光板、光学補償フィルム、第1基板、液晶層、第2基板、第2偏光板をこの順序で配置し、偏光板の一方が液晶層の黒表示時に液晶遅相軸に対して平行な透過軸を有し、光学補償フィルムが有するフィルム遅相軸と偏光板の一方が有する透過軸とが形成する角度が0〜2°又は88〜90°である液晶表示装置が提案されている(特許文献1)。
方位角による透過軸のズレを補償した偏光板を用いた視野角の広さに優れる液晶表示装置として、偏光子に位相差が190〜320nmの複屈折性を示す封止フィルムを接着してなり、その封止フィルムの遅相軸が偏光子の吸収軸に対して平行に配置された偏光板を、液晶セルの少なくとも片側に配置してなる液晶表示装置が提案されている(特許文献2)。
また、クロスニコルに配置した偏光子間において、視角の変化により生じる偏光子の軸変化に基づく光漏れを広帯域の可視光域で防止して、広視野角の液晶表示装置を達成しうる偏光板として、偏光子の少なくとも片面に、面内位相差が190〜320nmである2層の位相差フィルムを、各位相差フィルムの遅相軸が偏光子の吸収軸と平行関係となるように接着してなり、かつ面内の屈折率をnx、ny、厚さ方向の屈折率をnzとしたとき、2層の位相差フィルムが、Nz=(nx-nz)/(nx-ny)が0.65〜0.85のものと0.15〜0.35のものとの組合せからなる偏光板が提案されている(特許文献3)。
斜めからディスプレイを見た場合にも、角度変化による着色や画面の表示内容の消失がない液晶表示装置として、フィルムの法線方向を基準として周囲45°以内に少なくとも1本の光軸若しくは光線軸を有するか、又は、フィルムの法線方向の屈折率をnTH、長手方向の屈折率をnMD、幅方向の屈折率をnTDとしたとき、nTH-(nMD+nTD)/2>0のいずれかであるフィルムと、正の固有複屈折値を有する一軸延伸フィルムとを、液晶セルと偏光板の間に挿入してなる液晶表示装置が提案されている(特許文献4)。
さらに、斜めからディスプレイを見た場合にも、角度変化による着色や画面の表示内容の消失がない液晶表示装置として、ネマチック液晶を挟持した液晶素子を、正の固有複屈折値を有する一軸延伸フィルムと、負の固有複屈折値を有する一軸延伸フィルムで挟んだ液晶表示装置が提案されている(特許文献5)。
液晶の複屈折による位相差やその視角による変化に加えて、それらの特性の波長依存性等についても対処しうる豊富な位相差特性を有する位相差板として、面内の主屈折率をnx、ny、厚さ方向の屈折率をnzとしたとき、nx>ny>nz、nx=nz>ny、nx=ny>nzなどの屈折率特性を示す位相差フィルムの2種以上の組合せで用いた位相差板が提案されている(特許文献6)。
しかし、これらの手段によっても、どの方向から見ても均質で高いコントラストを有する液晶表示装置を得るにはまだ不十分で、さらなる改善が求められている。
すなわち、本発明は、
(1)それぞれの透過軸がたがいに略垂直の位置関係にある一対の偏光子の間に、少なくとも光学異方体及び液晶セルを有する液晶表示装置であって、光学異方体が固有複屈折値が負である材料層からなり、光学異方体の面内の遅相軸が近接する偏光子の透過軸と略平行又は略垂直の位置関係にあることを特徴とする液晶表示装置、
(2)波長550nmの光で測定した光学異方体の面内の遅相軸方向の屈折率をnx、該遅相軸と面内で直交する方向の屈折率をny、厚さ方向の屈折率をnzとしたとき、nz>nx>nyである(1)記載の液晶表示装置、
(3)光学異方体が、液晶セルと入射側偏光子との間に配置されてなる(1)又は(2)に記載の液晶表示装置、
(4)光学異方体の面内の遅相軸が、電圧無印加状態の液晶セルの面内の遅相軸と略垂直の位置関係にある(1)〜(3)のいずれか1項に記載の液晶表示装置、
(5)光学異方体が、層の少なくとも片面に透明な樹脂を積層してなる(1)〜(4)のいずれか1項に記載の液晶表示装置、
(6)透明な樹脂が、脂環式構造を有する重合体樹脂である(5)記載の液晶表示装置、
(7)光学異方体の残留揮発成分含有量が、0.1重量%以下である(1)〜(6)のいずれか1項に記載の液晶表示装置、及び、
(8)液晶表示装置が、インプレーンスイッチングモードの液晶表示装置である(1)〜(7)のいずれか1項に記載の液晶表示装置、
を提供するものである。
さらに、本発明の好ましい態様として、
(9)固有複屈折値が負である材料が、ビニル芳香族系重合体である(1)〜(8)のいずれか1項に記載の液晶表示装置、及び、
(10)ビニル芳香族系重合体が、ポリスチレン又はスチレンと無水マレイン酸の共重合体である(9)記載の液晶表示装置、
を挙げることができる。
本発明において、二つの軸がなす角度とは、二つの軸、それぞれを法線とする面どうしのなす角度をいう。ただし、なす角度は小さいほうとする。本発明において、二つの軸が略平行な位置関係にあるとは、二つの軸がなす角度が0〜3°であることを意味する。本発明において、二つの軸が略垂直な位置関係にあるとは、二つの軸がなす角度が87〜90°であることを意味する。
Δn0 = (2π/9)(Nd/M){(na+2)2/na}(α1-α2) ・・・[1]
ただし、πは円周率、Nはアボガドロ数、dは密度、Mは分子量、naは平均屈折率、α1は高分子の分子鎖軸方向の分極率、α2は高分子の分子鎖軸と垂直な方向の分極率である。
固有複屈折値が負である材料としては、ディスコチック液晶、ディスコチック液晶ポリマー、ビニル芳香族系重合体、ポリアクリロニトリル系重合体、ポリメチルメタクリレート系重合体、セルロースエステル系重合体、これらの多元共重合体などを挙げることができる。これらの固有複屈折値が負である材料は、1種を単独で用いることができ、あるいは、2種以上を組み合わせて用いることもできる。これらの中で、ビニル芳香族系重合体、ポリアクリロニトリル系重合体及びポリメチルメタクリレート系重合体を好適に用いることができ、ビニル芳香族系重合体は、複屈折発現性が高いので特に好適に用いることができる。
ビニル芳香族系重合体としては、例えば、ポリスチレン、スチレン、又は、α-メチルスチレン、o-メチルスチレン、m-メチルスチレン、p-メチルスチレン、p-クロロスチレン、p-ニトロスチレン、p-アミノスチレン、p-カルボキシスチレン、p-フェニルスチレン、p-メトキシスチレン、p-t-ブトキシスチレンなどのビニル芳香族単量体と、エチレン、プロピレン、ブテン、ブタジエン、イソプレン、(メタ)アクリロニトリル、α-クロロアクリロニトリル、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸、無水マレイン酸、マレイミド、酢酸ビニル、塩化ビニルなどのその他の単量体との共重合体などを挙げることができる。これらの中で、ポリスチレン又はスチレンと無水マレイン酸との共重合体を好適に用いることができる。
本発明において、極角とは、液晶表示画面を観察する際に、正面方向から傾けてみたときの角度をいう。
本発明において、nz>nx>nyである材料層の形成方法に特に制限はなく、例えば、固有複屈折値が負である材料の両側に、接着性樹脂層を介して後述する他の材料を積層した多層構造体を共押出などにより成形し、得られた多層構造体を一軸延伸又は二軸延伸し、さらに必要に応じて熱処理をすることによって得ることができる。他の材料が固有複屈折値が正である材料であっても、多層構造体全体として固有複屈折値が負であれば、固有複屈折値が負である材料層として用いることができる。強度が低く単独では延伸が困難な固有複屈折値が負である材料であっても、その両側にガラス転移温度の低い他の材料を積層した多層構造体とすることにより、延伸が可能となり、複屈折が発現しやすい温度で、破断することなく、生産性よく、nz>nx>nyである固有複屈折値が負である材料層を形成することができる。
本発明において、固有複屈折値が負である材料又は透明な樹脂には、必要に応じて、酸化防止剤、熱安定剤、光安定剤、紫外線吸収剤、帯電防止剤、分散剤、塩素捕捉剤、難燃剤、結晶化核剤、ブロッキング防止剤、防曇剤、離型剤、顔料、有機又は無機の充填材、中和剤、滑剤、分解剤、金属不活性化剤、汚染防止剤、抗菌剤やその他の樹脂、熱可塑性エラストマーなどの公知の添加剤を発明の効果が損なわれない範囲で添加することができる。
本発明の液晶表示装置においては、光学異方体の残留揮発成分含有量が0.1重量%以下であることが好ましく、0.01重量%以下であることがより好ましい。光学異方体の残留揮発成分含有量が0.1重量%を超えると、使用時に揮発性成分が外部に揮散して、光学異方体に寸法変化が生じ、内部応力が発生することにより、位相差にムラを生ずるおそれがある。光学異方体の揮発性成分含有量を0.1重量%以下、より好ましくは0.01重量%以下とすることにより、長期間使用しても画面に表示ムラが発生しない光学特性の安定性に優れた液晶表示装置を得ることができる。
本発明において、揮発性成分は、光学異方体に微量含まれる分子量200以下の物質であり、例えば、残留単量体や溶媒などが挙げられる。揮発性成分の含有量は、光学異方体に含まれる分子量200以下の物質の合計として、光学異方体をガスクロマトグラフィーにより分析することにより定量することができる。
図1は、本発明の液晶表示装置の一態様の説明図である。本態様においては、入射側偏光子1、光学異方体3、液晶セル2、出射側偏光子4が、この順に積層されている。図中の矢印は、偏光子については透過軸を、液晶セルについては電圧無印加状態の面内の遅相軸を、光学異方体については面内の遅相軸を表す。すなわち、光学異方体の面内の遅相軸
が、光学異方体と接する入射側偏光子の透過軸と平行の位置関係にあり、電圧無印加状態
の液晶セルの面内の遅相軸と垂直の位置関係にある。
図2は、本発明の液晶表示装置の他の態様の説明図である。本態様においては、入射側偏光子1、光学異方体3、液晶セル2、出射側偏光子4が、この順に積層されている。図中の矢印は、偏光子については透過軸を、液晶セルについては電圧無印加状態の面内の遅相軸を、光学異方体については面内の遅相軸を表す。すなわち、光学異方体の面内の遅相軸が、光学異方体と接する入射側偏光子の透過軸と垂直の位置関係にあり、電圧無印加状態の液晶セルの面内の遅相軸と平行の位置関係にある。
本発明において、光学異方体の面内レターデーションRe(単位nm)と厚さ方向レターデーションRth(単位nm)の組み合わせは、100≦Re≦400及び-500≦Rth≦-60であることが好ましく、160≦Re≦340及び-350≦Rth≦-150であることがより好ましく、200≦Re≦260及び-305≦Rth≦-205であることがさらに好ましく、210≦Re≦250及び-275≦Rth≦-235が最も好ましい。
本発明において、面内レターデーションRe、厚さ方向レターデーションRthは以下の式(1)、(2)で求められる。なお、式中nx、ny及びnzは屈折率(-)、dは厚さ(nm)を表す。
式(1):Re=(nx-ny)×d
式(2):Rth=[(nx+ny)/2-nz]×d
インプレーンスイッチングモードでは、水平方向にホモジニアスな配向をした液晶分子と、透過軸が画面正面に対して上下と左右の方向を指して垂直の位置関係にある2枚の偏光子を用いているので、上下左右の方向から画面を斜めに見るときには、2本の透過軸は直交して見える位置関係にあり、ホモジニアス配向液晶層はツイステッドモード液晶層で生ずるような複屈折も少ないことから、十分なコントラストが得られる。これに対して、方位角45°の方向から画面を斜めに見るときには、2枚の偏光子の透過軸のなす角度が90°からずれる位置関係となるために、透過光が複屈折を生じて光が洩れ、十分な黒が得られず、コントラストが低下する。インプレーンスイッチングモードの液晶表示装置の2枚の偏光子の間に、固有複屈折値が負である光学異方体の層を配置することにより、透過光に生ずる複屈折を効果的に補償して光の洩れを防ぎ、全方位角において高いコントラストを得ることができる。
本発明において、使用する偏光子としては、ポリビニルアルコールや部分ホルマール化ポリビニルアルコール等の従来に準じた適宜なビニルアルコール系ポリマーよりなるフィルムに、ヨウ素や二色性染料等よりなる二色性物質による染色処理、延伸処理、架橋処理等の適宜な処理を適宜な順序や方式で施したもので、自然光を入射させると直線偏光を透過する適宜なものを用いることができる。特に、光透過率や偏光度に優れるものが好ましい。偏光子の厚さは、5〜80μmが一般的であるが、これに限定されない。
偏光子の片側又は両側には、偏光子の保護を目的として、適宜の接着層を介して偏光子保護フィルムが接着されていてもよい。
偏光子保護フィルムとしては、適宜な透明フィルムを用いることができる。中でも、透明性や機械的強度、熱安定性や水分遮蔽性等に優れるポリマーからなるフィルム等が好ましく用いられる。そのポリマーの例としては、トリアセチルセルロースの如きアセテート系樹脂やポリエステル系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、脂環式構造を有する重合体、アクリル系樹脂等があげられる。
本発明において、光学異方体と偏光子が接する構成となるので、光学異方体フィルムを偏光子の保護フィルムとして兼用することができる。光学異方体フィルムを偏光子の保護フィルムとして兼用することにより、保護フィルム一層を省いて液晶表示装置を薄型化するとともに、偏光子の耐久性を向上することができる。
本発明において、液晶表示装置の形成に際しては、例えばプリズムアレイシート、レンズアレイシート、光拡散板、バックライト、輝度向上フィルム等の適宜な部品を適宜な位置に1層又は2層以上配置することができる。
なお、実施例及び比較例において、偏光子として偏光板[(株)サンリッツ、LLC2-9518]を用いた。液晶セルとして、厚さ2.74μm、誘電異方性が正、波長550nmの複屈折率Δn=0.09884、プレチルト角0°の液晶セルを用いた。
また、実施例及び比較例において、測定及び評価は下記の方法により行った。
(1)厚さ
フィルムの断面を、光学顕微鏡で観察して測定する。積層体については、各層ごとに測定する。
(2)ガラス転移温度
JIS K 7121に基づいて、示差走査熱量分析法(DSC)により測定する。
(3)屈折率(nx、ny、nz)、レターデーション(面内レターデーション、厚さ方向のレターデーション)及び面内の遅相軸のバラツキ
自動複屈折計[王子計測機器(株)、KOBRA-21]を用いて、波長550nmの光で測定する。なお、遅相軸のバラツキは、光学異方体の幅方向に10mm間隔で遅相軸を測定して、その測定値の算術平均値を求め、その平均値からの測定値のバラツキとする。
(4)残留揮発性成分
光学異方体200mgを、表面に吸着していた水分や有機物を完全に除去した内径4mmのガラスチューブの試料容器に入れる。次に、その容器を温度100℃で60分間加熱し、容器から出てきた気体を連続的に捕集する。そして、捕集した気体を熱脱着ガスクロマトグラフィー質量分析計(TDS-GC-MS)で分析し、その中で分子量200以下の成分の合計量を残留揮発性成分として測定する。
(5)液晶表示装置の視野角特性
光学異方体を、インプレーンスイッチング(IPS)モードの液晶表示装置の液晶セルに隣接する位置に配置して、表示特性を目視により観察する。また、4×4マトリクスを用いた光学シミュレーションによりコントラストを計算し、コントラスト図として表示する。
ノルボルネン系重合体[日本ゼオン(株)、ゼオノア1020、ガラス転移温度105℃]からなる[1]層、スチレン-無水マレイン酸共重合体[ノヴァケミカルジャパン(株)、ダイラークD332、ガラス転移温度130℃、オリゴマー含有量3重量%]からなる[2]層及び変性したエチレン-酢酸ビニル共重合体[三菱化学(株)、モディックAP A543、ビカット軟化点80℃]からなる[3]層を有し、[1]層(15μm)-[3]層(5μm)-[2]層(110μm)-[3]層(5μm)-[1]層(15μm)の構成の未延伸積層体を共押出成形により得た。未延伸積層体を、テンターにより延伸温度136℃で第一段の横一軸延伸し、延伸フィルムを90°回転させて延伸温度138℃で第二段の横一軸延伸の合計延伸倍率1.5倍の逐次延伸を行い、厚さ100μmの光学異方体フィルムを得た。
得られた光学異方体フィルムは、屈折率nx1.5823、ny1.5800、nz1.5837であり、面内レターデーションReは230nm、厚さ方向レターデーションRthは-255nmであり、面内の遅相軸のばらつきは±0.05°であり、残留揮発成分含有量は0.01重量%以下であった。
入射側偏光子の透過軸と光学異方体の面内の遅相軸とが平行、光学異方体の面内の遅相軸と液晶セルの電圧無印加時の遅相軸とが垂直、液晶セルの電圧無印加時の遅相軸と出射側偏光子の透過軸とが平行になるように、入射側偏光子、光学異方体フィルム、液晶セル及び出射側偏光子をこの順に積層して、図1に示す構成を有する液晶表示装置を組み立てた。
得られた液晶表示装置の表示特性を目視で評価すると、画面を正面から見た場合も、全方位から極角80°以内の斜め方向から見た場合も、表示は良好かつ均質であった。この液晶表示装置についてシミュレーションにより得られたコントラスト図を、図3に示す。
比較例1
入射側偏光子の透過軸と液晶セルの電圧無印加時の遅相軸とが平行、液晶セルの電圧無印加時の遅相軸と出射側偏光子の透過軸とが垂直になるように、入射側偏光子、液晶セル及び出射側偏光子をこの順に積層して、液晶表示装置を組み立てた。
得られた液晶表示装置の表示特性を目視で評価すると、画面を正面から見た場合は表示は良好であったが、方位角45°の斜め方向から見た場合は、コントラストが低く、不良であった。この液晶表示装置についてシミュレーションにより得られたコントラスト図を、図4に示す。
2 液晶セル
3 光学異方体
4 出射側偏光子
Claims (8)
- それぞれの透過軸がたがいに略垂直の位置関係にある一対の偏光子の間に、少なくとも光学異方体及び液晶セルを有する液晶表示装置であって、光学異方体が固有複屈折値が負である材料層からなり、光学異方体の面内の遅相軸が近接する偏光子の透過軸と略平行又は略垂直の位置関係にあることを特徴とする液晶表示装置。
- 波長550nmの光で測定した光学異方体の面内の遅相軸方向の屈折率をnx、該遅相軸と面内で直交する方向の屈折率をny、厚さ方向の屈折率をnzとしたとき、nz>nx>nyである請求項1記載の液晶表示装置。
- 光学異方体が、液晶セルと入射側偏光子との間に配置されてなる請求項1又は2に記載の液晶表示装置。
- 光学異方体の面内の遅相軸が、電圧無印加状態の液晶セルの面内の遅相軸と略垂直の位置関係にある請求項1〜3のいずれか1項に記載の液晶表示装置。
- 光学異方体が、層の少なくとも片面に透明な樹脂を積層してなる請求項1〜4のいずれか1項に記載の液晶表示装置。
- 透明な樹脂が、脂環式構造を有する重合体樹脂である請求項5記載の液晶表示装置。
- 光学異方体の残留揮発成分含有量が、0.1重量%以下である請求項1〜6のいずれか1項に記載の液晶表示装置。
- 液晶表示装置が、インプレーンスイッチングモードの液晶表示装置である請求項1〜7のいずれか1項に記載の液晶表示装置。
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