JP2005202101A - 透過型液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 高コントラストで、視野角依存性の少ない透過型液晶表示素子を提供する。
【解決手段】 バックライト側から順に、偏光板（Ａ）、一軸性位相差フィルム（Ａ）、ネマチックハイブリッド配向を固定化して得られる液晶フィルム（Ａ）、ホモジニアス配向液晶セル、ネマチックハイブリッド配向を固定化して得られる液晶フィルム（Ｂ）、一軸性位相差フィルム（Ｂ）、および偏光板（Ｂ）から少なくとも構成される透過型液晶表示素子。
【選択図】 図２

Description

本発明は、透過型液晶表示素子に関する。

液晶表示素子は、通常、液晶セル、偏光素子および光学補償シート（位相差板）から構成される。透過型液晶表示素子では、二枚の偏光素子を液晶セルの両側に取り付け、一枚または複数枚の光学補償シートを液晶セルと偏光素子との間に配置する。
液晶セルは、棒状液晶性分子、それを封入するための二枚の基板および棒状液晶性分子に電圧を加えるための電極層からなる。液晶セルは、棒状液晶性分子の配向状態の違いで、透過型については、ＴＮ（Twisted Nematic）、ＩＰＳ（In-Plane Switching）、ＦＬＣ（Ferroelectric Liquid Crystal）、ＯＣＢ（Optically Compensatory Bend）、ＳＴＮ（Supper Twisted Nematic）、ＶＡ（Vertically Aligned）、反射型については、ＴＮ、ＨＡＮ（Hybrid Aligned Nematic）、ＧＨ（Guest-Host）のような様々な表示モードが提案されている。

光学補償シートは、画像着色の解消、視野角を拡大するために、様々な液晶表示素子に用いられている。光学補償シートとしては、延伸複屈折フィルムが従来から使用されている。また延伸複屈折フィルムよりも表示性能が向上する光学補償シートとして液晶配向を固定化した液晶フィルムからなる補償シートが種々開発実用化されている（例えば、特許文献１〜５参照。）。
特開平１０−３３３１３４号公報 特開平１１−１１９２１１号公報 特開平１１−１９４３２５号公報 特開平１１−１９４３７１号公報 特開平１１−２７１７６０号公報

各種光学補償シートを設けることにより、視野角依存性が改善された液晶表示素子を得ることができるが、近年、さらなる表示特性の向上が望まれ、数種の光学フィルムのより最適な組合せ、配置条件等の開発が必要とされていた。
本発明は、上記課題を解決するものであり、高コントラストであり、視野角依存性の少ない透過型液晶表示素子を提供するものである。

すなわち本発明の第１は、バックライト側から順に、偏光板（Ａ）、一軸性位相差フィルム（Ａ）、ネマチックハイブリッド配向を固定化して得られる液晶フィルム（Ａ）、ホモジニアス配向液晶セル、ネマチックハイブリッド配向を固定化して得られる液晶フィルム（Ｂ）、一軸性位相差フィルム（Ｂ）、および偏光板（Ｂ）から少なくとも構成される透過型液晶表示素子に関する。
本発明の第２は、前記一軸性位相差フィルムが、高分子延伸フィルムである透過型液晶表示素子に関する。
本発明の第３は、前記一軸性位相差フィルムが、光学的に正の一軸性を示す液晶物質が液晶状態において形成したネマチック配向を固定化してなる液晶フィルムである前記記載の透過型液晶表示素子に関する。

本発明の第４は、前記液晶フィルムが、光学的に正の一軸性を示す液晶物質からなり、当該液晶物質が液晶状態において形成したネマチックハイブリッド配向を固定化した液晶フィルムであり、当該ネマチックハイブリッド配向における平均チルト角が５〜３５度の液晶フィルムである前記記載の透過型液晶表示素子に関する。

本発明の第５は、前記液晶フィルム（Ａ）のハイブリッド方向を基板平面に投影したチルト方向と一軸性位相差フィルム（Ａ）の遅相軸のなす角度が５０度以上８０度未満である前記記載の透過型液晶表示素子に関する。
本発明の第６は、前記液晶フィルム（Ｂ）のハイブリッド方向を基板平面に投影した方向と一軸性位相差フィルム（Ｂ）の遅相軸のなす角度が５０度以上８０度未満である前記記載の透過型液晶表示素子に関する。
本発明の第７は、前記液晶セルの△ｎｄが２００ｎｍから４００ｎｍである前記記載の透過型液晶表示素子に関する。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の透過型液晶表示素子を構成する偏光板（偏光板(Ａ)および偏光板(Ｂ)）は、本発明の目的を達成し得るものであれば特に制限されず、従来の液晶表示素子に用いられているものを適宜使用することができる。特に、近年、薄膜化への要望に対応して開発上市された薄型の偏光板の使用が好ましい。

偏光板として具体的には、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）や部分アセタール化ＰＶＡのようなＰＶＡ系や、エチレン−酢酸ビニル共重合体の部分ケン化物等からなる親水性高分子フィルムに、ヨウ素および／または２色性色素を吸着して延伸した偏光フィルム、ＰＶＡの脱水処理物やポリ塩化ビニルの脱塩酸処理物のようなポリエン配向フィルムなどからなる偏光フィルムを使用することができる。また、反射型の偏光フィルムも使用することができる。

偏光板は、偏光フィルム単独で使用しても良いし、強度、耐湿性、耐熱性などの向上等の目的で偏光フィルムの片面または両面に透明保護層等を設けたものであっても良い。透明保護層としては、ポリエステルやトリアセチルセルロース等の透明プラスチックフィルムを直接または接着層を介して積層したもの、透明樹脂の塗布層、アクリル系やエポキシ系等の光硬化型樹脂層などが挙げられる。これら透明保護層を偏光フィルムの両面に被覆する場合、両側に同じ保護層を設けても良いし、また異なる保護層を設けても良い。透明保護層の厚さは、薄型軽量化の観点から１００μｍ以下が好ましく、より好ましくは６０μｍ以下、特に好ましくは４５μｍ以下であることが望ましい。また、後述する一軸性位相差フィルムを透明保護層として使用することも可能である。

本発明の透過型液晶表示素子を構成する液晶フィルム（液晶フィルム(Ａ)および液晶フィルム(Ｂ)）は、光学的に正の一軸性を示す液晶物質を用い、当該液晶物質をネマチックハイブリッド配向させ、当該配向を固定化したフィルムである。
光学的に正の一軸性を示す液晶物質として、具体的には、光学的に正の一軸性を示す低分子液晶物質、光学的に正の一軸性を示す高分子液晶物質、または少なくとも１種の高分子液晶物質を含有する光学的に正の一軸性を示す高分子液晶組成物などの高分子液晶物質等を挙げることができる。

なお本発明で言うネマチックハイブリッド配向とは、液晶分子がネマチック配向しており、このときの液晶分子のダイレクターとフィルム平面のなす角がフィルム上面と下面とで異なった配向形態を言う。したがって、上面界面近傍と下面界面近傍とでダイレクターとフィルム平面との成す角度が異なっていることから、該フィルムの上面と下面との間ではその角度が連続的に変化しているものといえる。
またネマチックハイブリッド配向状態を固定化したフィルムは、液晶分子のダイレクターがフィルムの膜厚方向のすべての場所において異なる角度を向いている。したがって当該フィルムは、フィルムという構造体として見た場合、もはや光軸は存在しない。

本発明に用いられる液晶フィルムは、フィルムの一方の界面付近ではダイレクターとフィルム平面との成す角度が、絶対値として通常３０〜９０度、好ましくは４０〜９０度の角度をなしており、当該面の反対側の面の界面付近においては、絶対値として通常０〜３０度、好ましくは０〜２０度の角度を成していることが望ましい。また、その平均チルト角は、絶対値として通常５〜３５度であり、好ましくは７〜３３度、さらに好ましくは１０〜３０度、最も好ましくは１３〜２８度の範囲であることが望ましい。平均チルト角が上記範囲から外れた場合、本発明の透過型液晶表示素子を斜め方向から見た場合、コントラストの低下等の恐れがある。なお本発明でいう平均チルト角とは、液晶フィルムの膜厚方向における液晶分子のダイレクターとフィルム平面との成す角度の平均値を意味するものである。平均チルト角は、クリスタルローテーション法を応用して求めることができる。

本発明に用いられる液晶フィルムは、上記のようなネマチックハイブリッド配向状態が固定化されたものであれば、如何様な液晶から形成されたものであっても構わない。例えば光学的に正の一軸性を示す低分子液晶物質を液晶状態においてネマチックハイブリッド配向を形成せしめた後、光架橋や熱架橋によって固定化して得られる液晶フィルムや、高分子液晶物質を液晶状態においてネマチックハイブリッド配向に形成後、冷却することによって当該配向をガラス固定化して得られる液晶フィルムを用いることができる。なお本発明でいう液晶フィルムとは、フィルム自体が液晶性を呈するか否かを問うものではなく、低分子液晶物質、高分子液晶物質などの液晶物質をフィルム化することによって得られるものを意味する。

また液晶フィルムの法線方向から見た場合の面内の見かけのリターデーション値としては、ネマチックハイブリッド配向したフィルムでは、ダイレクターに平行な方向の屈折率（以下ｎｅと呼ぶ）と垂直な方向の屈折率（以下ｎｏと呼ぶ）が異なっており、ｎｅからｎｏを引いた値を見かけ上の複屈折率とした場合、見かけ上のリターデーション値は見かけ上の複屈折率と絶対膜厚との積で与えられる。この見かけ上のリターデーション値は、エリプソメトリー等の偏光光学測定により容易に求めることができる。見かけの上のリターデーション値は、好ましくは５０ｎｍ〜２００ｎｍ、さらに好ましくは７０ｎｍ〜１５０ｎｍである。この範囲を外れた場合、本発明の透過型液晶表示素子を斜め方向から見た場合、コントラストの低下等の恐れがあり望ましくない。また、本発明の透過型液晶表示素子における液晶フィルムは上記条件を満たすフィルムであれば特に限定はないが、液晶フィルム（Ａ）および液晶フィルム（Ｂ）は同一である方がより好ましい。

また、液晶フィルムは、適宜支持性を持たせるために面内の位相差がほぼ等方であるフィルムを基板として用いることもできる。このようなほぼ等方性のフィルムとしては、例えばフジタック（富士写真フィルム（株）製）、ゼオネックス（日本ゼオン（株）製）、ＡＲＴＯＮ（日本合成ゴム（株）製）等の商品名で販売されている各種光学フィルムやポリスチレン、ポリイミド、ポリエステルなどからなる光学フィルム等を使用することができる。さらに好ましくは後述する一軸性位相差フィルムを支持基板として用いることが薄さ、信頼性の観点から好ましいと言える。

本発明に使用される一軸性位相差フィルム（一軸性位相差フィルム（Ａ）および一軸性位相差フィルム（Ｂ））は、一軸性の位相差フィルムとして機能するフィルムであれば特に限定されない。本発明では、なかでもネマチック配向状態に固定化した一軸性液晶フィルムまたは高分子延伸フィルムから構成されるものが好ましい一態様として挙げられる。
ネマチック配向状態を固定化した一軸性液晶フィルムとしては、例えば、低分子液晶物質を液晶状態においてネマチック配向に形成後、光架橋や熱架橋によって固定化して得られる液晶フィルムや、高分子液晶物質を液晶状態においてネマチック配向に形成後、冷却することによって当該配向をガラス固定化して得られる一軸性液晶フィルムが挙げられる。

高分子延伸フィルムは、透明性と均一性に優れたものであれば特に制限されるものではない。本発明では、例えばセルロース系、ポリカーボネート系、ポリアリレート系、ポリスルフォン系、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）系、ポリアクリル系、ポリエーテルスルフォン系、環状オレフィン系高分子等から選択される樹脂を溶融押出法や溶液流延法によってフィルムを得た後、当該フィルムを適度な加熱下に１軸または２軸に延伸して得られる高分子延伸フィルムが好ましい。
高分子延伸フィルムの膜厚は、選択された樹脂の強度や延伸により生起する複屈折値等に依存するため一概には決定できないが、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下であることが望ましい。
前記高分子延伸フィルムの中でも環状オレフィン系やポリカーボネート系の延伸フィルムが光学特性やフィルムの均一性などの観点から好ましく、特に、高い耐久性を求められる場合や偏光板の保護フィルムを兼ねる場合は、環状オレフィン系高分子であるゼオネックス（日本ゼオン（株）製）、アートン（ＪＳＲ（株）製）等の商品名で市販されている光学フィルムが特に好ましいといえる。

一軸性位相差フィルムのリターデーション値は、５５０ｎｍの単色光に対して、通常１５０ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは２００ｎｍ〜３５０ｎｍ、特に好ましくは２３０ｎｍ〜３２０ｎｍの範囲にすることにより、良好な視野角特性が得られる。リターデーション値が上記範囲から外れた場合、透過型液晶表示素子に不必要な色付きや斜めから見た場合のコントラスト低下が生じる恐れがある。

次に本発明の透過型液晶表示素子を構成する液晶セルについて説明する。
液晶セルを構成する一対の透明基板としては、液晶層を構成する液晶性材料を特定の配向方向に配向させうるものであれば特に制限はない。具体的には、基板自体が液晶性材料を配向させる性質を有していている透明基板、基板自体は配向能に欠けるが液晶性材料を配向させる性質を有する配向膜等を設けた透明基板等が使用できる。また、透明基板上に設けられる電極は、公知のものを適宜使用することができ、通常、液晶性材料が接する透明基板の面上に設けられる。配向膜を有する透明基板を使用する場合は、透明基板と配向膜との間に設けることができる。
前記液晶層を形成する液晶性材料としては、特に制限されず、各種の液晶セルを構成し得る通常の各種低分子液晶物質、高分子液晶物質およびこれらの混合物が挙げられる。また、これらに液晶性を損なわない範囲で色素や非液晶性物質等を添加することもできる。

本発明は、液晶セルの方式としてホモジニアス配向セルを用いる。ホモジニアス配向セルとは、そのツイスト角度は略０度のセルである。ここでいう略０度とは、０度以上、５度以下のツイスト角度である。液晶セルの△ｎｄは２００ｎｍ〜４００ｎｍが好ましく、さらに好ましくは２５０ｎｍ〜３５０ｎｍである。この範囲を外れた場合、不必要な着色や明るさの低下を招き好ましくない。
また液晶セルの駆動方式は特に制限はなく、ＳＴＮ−ＬＣＤ等に用いられるパッシブマトリクス方式、並びにＴＦＴ(Thin Film Transistor)電極、ＴＦＤ(Thin Film Diode)電極等の能動電極を用いるアクティブマトリクス方式、プラズマアドレス方式等のいずれの駆動方式であっても良い。

次いで本発明の透過型液晶表示素子における偏光板、一軸性位相差フィルム、液晶フィルムおよび液晶セルの具体的な配置条件について説明するが、より具体的に配置条件を説明するにあたり、液晶フィルムのチルト方向および液晶セルのプレチルト方向をそれぞれ以下に説明する。

図１は、液晶フィルムの断面図を示す。
図１において、液晶フィルムのフィルム界面近傍における液晶分子ダイレクターとフィルム平面との成す角度によってそれぞれ定義すると、液晶分子のダイレクターとフィルム平面との成す角度が鋭角側で３０〜９０度の角度を成している面をｂ面とし、該角度が鋭角側で０〜３０度の角度を成している面をｃ面とする。
この液晶フィルム層を通してｂ面からｃ面を見た場合、液晶分子のダイレクターとダイレクターのｃ面への投影成分が成す角度が鋭角となる方向で、かつ投影成分と平行な方向を補償素子のチルト方向と定義する。

また通常、液晶セルの基板と液晶層との界面（以下、セル界面という）では、液晶層を構成する液晶分子はセル界面に対して平行ではなくある角度もって傾いており、この角度を一般にプレチルト角と言うが、セル界面の液晶分子のダイレクターとダイレクターの界面への投影成分とがなす角度が鋭角である方向で、かつダイレクターの投影成分と平行な方向を液晶セルのプレチルト方向と定義する。

本発明の透過型液晶表示素子の配置は、バックライト側から順に、「偏光板（Ａ）／一軸性位相差フィルム（Ａ）／液晶フィルム（Ａ）／液晶セル／液晶フィルム（Ｂ）／一軸性位相差フィルム（Ｂ）／偏光板（Ｂ）」を必須とする。

一軸性位相差フィルム（Ａ）の遅相軸と液晶フィルム（Ａ）のチルト方向のなす角度は５０度以上８０度未満であることが好ましい。さらに好ましくは５５度以上７５度未満である。８０度以上の場合、または５５度より小さい場合には、正面コントラストの低下を招く可能性があり好ましくない。
一軸性位相差フィルム（Ｂ）の遅相軸と液晶フィルム（Ｂ）のチルト方向のなす角度についても同様に、当該角度が５０度以上８０度未満であることが好ましい。さらに好ましくは５５度以上７５度未満である。８０度以上の場合、または５５度より小さい場合には、正面コントラストの低下を招く可能性があり好ましくない。

本発明の透過型液晶表示素子に用いられる一軸性延伸フィルムや液晶フィルムには、その効果を損なうことが無い範囲において、例えば各フィルム表面に保護層、反射防止層、防眩処理層、ハードコート層、接着層、粘着層、光拡散層、光拡散性接着層等を１層または複数層含むことができる。

本発明の透過型液晶表示素子は、表示が明るく、正面コントラストが高く、視野角依存性の少ない特徴を有している。

以下、本発明を実施例および比較例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、本実施例におけるリターデーション（複屈折Δｎと膜厚ｄとの積）は特に断りのない限り波長５５０ｎｍにおける値である。

（実施例１）
６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸１００ｍｍｏｌ、テレフタル酸１００ｍｍｏｌ、クロロヒドロキノン５０ｍｍｏｌ、ｔｅｒｔ−ブチルカテコール５０ｍｍｏｌ、および無水酢酸６００ｍｍｏｌを用いて窒素雰囲気下で、１４０℃で２時間アセチル化反応を行った。引き続き２７０℃で２時間、２８０℃で２時間、３００℃で２時間重合を行った。次に得られた反応生成物をテトラクロロエタンに溶解したのち、メタノールで再沈殿を行って精製し、液晶性ポリエステル（ポリマー１）４０．０ｇを得た。この液晶性ポリエステルの対数粘度（フェノール／テトラクロロエタン＝６／４(質量比)混合溶媒、３０℃測定）は０．３５ｄｌ／ｇ、液晶相としてネマチック相をもち、等方相−液晶相転移温度は３００℃以上、ガラス転移点は１３５℃であった。

ポリマー１の２０ｇを８０ｇのＮ−メチル−２−ピロリドンに溶解させ溶液を調製した。この溶液を、レーヨン布にてラビング処理したポリイミドフィルム（デュポン社製、商品名カプトン）上にスピナーにて塗布し、溶媒を乾燥除去した後、２１０℃で２０分熱処理することでネマチックハイブリッド配向構造を形成させた。熱処理後、室温下まで冷却してネマチックハイブリッド配向構造を固定化し、ポリイミドフィルム上に実膜厚０．７μｍの均一に配向した液晶物質層１を得た。実膜厚は触針式膜厚計を用いて測定した。

得られた液晶物質層１上に市販ＵＶ硬化型接着剤（東亞合成（株）製ＵＶ−３４００）を５μｍの厚さに塗布し、さらにこの接着剤層の上に厚さ８０μｍのトリアセチルセルロース（ＴＡＣ）フィルム（富士写真フイルム（株）製ＳＺ−ＴＡＣ）をラミネートし、約６００ｍＪのＵＶ照射により該接着剤層を硬化させた。次に、得られた積層体からポリイミドフィルムを剥離することにより液晶物質層１をトリアセチルセルロース（ＴＡＣ）フィルム上に転写し、液晶フィルム１を得た。得られた液晶フィルム１の△ｎｄは１１５ｎｍであり、平均チルト角は２８度であった。

（実施例２）
実施例１にて作製した液晶フィルム１、２７０ｎｍの一軸性位相差フィルム（ＪＳＲ（株）製アートン）および偏光板（住友化学工業（株）製ＳＲＷ−８６２ＡＰ）を図２に示した配置にて、液晶セルに貼合した。各層間は粘着剤にて貼合した。一軸性位相差フィルムの遅相軸と液晶フィルム１のチルト方向とのなす角度は６５度である。
使用した液晶セルは、液晶性材料としてＺＬＩ−４７９２（Ｍｅｒｃｋ社製）を用い、ツイスト角度０度のホモジニアス配向させた。液晶層厚は３．３μｍであり、セル界面のプレチルト角は２度であり、液晶セルのΔｎｄは略３２０ｎｍであった。
表１は、バックライト点灯時（透過モード）での、白表示０Ｖ、黒表示６Ｖの透過率の比（白表示）／（黒表示）をコントラスト比として、上下方位、左右方位のコントラスト比１０以上を確保する角度と正面コントラストを示している。
表１から、特に左右方向において良好な視野角特性を持っていることが明らかである。

（比較例１）
実施例２から上側の液晶フィルム１を１１５ｎｍの一軸性位相差フィルム（ＪＳＲ（株）製アートン）にした以外は、図３に示した配置にて液晶セルに貼合した。液晶セルは実施例３と同じセルを用いて評価を行った。得られた結果を表１に示した。

（比較例２）
実施例２から２枚の液晶フィルム１を１１５ｎｍの一軸性位相差フィルム（ＪＳＲ（株）製アートン）にした以外は、図４に示した配置にて液晶セルに貼合した。液晶セルは実施例３と同じセルを用いて評価を行った。得られた結果を表１に示した。

液晶フィルムの配向構造の概念図である。 実施例２の液晶表示素子の層構成および配置を模式的に表した図である。 比較例１の液晶表示素子の層構成および配置を模式的に表した図である。 比較例２の液晶表示素子の層構成および配置を模式的に表した図である。

Claims (7)

1. バックライト側から順に、偏光板（Ａ）、一軸性位相差フィルム（Ａ）、ネマチックハイブリッド配向を固定化して得られる液晶フィルム（Ａ）、ホモジニアス配向液晶セル、ネマチックハイブリッド配向を固定化して得られる液晶フィルム（Ｂ）、一軸性位相差フィルム（Ｂ）、および偏光板（Ｂ）から少なくとも構成される透過型液晶表示素子。
2. 前記一軸性位相差フィルムが、高分子延伸フィルムであることを特徴とする請求項１記載の透過型液晶表示素子。
3. 前記一軸性位相差フィルムが、光学的に正の一軸性を示す液晶物質が液晶状態において形成したネマチック配向を固定化してなる液晶フィルムであることを特徴とする請求項１記載の透過型液晶表示素子。
4. 前記液晶フィルムが、光学的に正の一軸性を示す液晶物質からなり、当該液晶物質が液晶状態において形成したネマチックハイブリッド配向を固定化した液晶フィルムであり、当該ネマチックハイブリッド配向における平均チルト角が５〜３５度の液晶フィルムであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載の透過型液晶表示素子。
5. 液晶フィルム（Ａ）のハイブリッド方向を基板平面に投影したチルト方向と一軸性位相差フィルム（Ａ）の遅相軸のなす角度が５０度以上８０度未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の透過型液晶表示素子。
6. 液晶フィルム（Ｂ）のハイブリッド方向を基板平面に投影した方向と一軸性位相差フィルム（Ｂ）の遅相軸のなす角度が５０度以上８０度未満であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの項に記載の透過型液晶表示素子。
7. 液晶セルの△ｎｄが２００ｎｍから４００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの項に記載の透過型液晶表示素子。
   
   
   

Images