JP2006313263A - 液晶表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】表示画面にある程度の応力が加えられた際に、ガラス基板において発生するリタデーションを打消して、光漏れの目立たない表示画面を表示する液晶表示装置を提供すること。
【解決手段】液晶ディスプレイ10において、NEPCフィルム13a又は13bをガラス基板15a又は15bに隣接させて配設することによって光弾性を打消す。より実際的には、液晶ディスプレイ10は、液晶17を介してガラス基板15a及び15bからなる液晶セルの上下両側に、それぞれ負の光弾性を有するNEPCフィルム13a及び13bを配設する構成とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特にIPS(In-Plane Switching)駆動型液晶表示装置における液晶ディスプレイに関する。
液晶表示装置は、CRT(Cathode Ray Tube)表示装置に比べて小型化かつ低消費電力化することが可能であるため、家電製品をはじめとして種々の表示用途に広く使用されている。従来の液晶表示装置では、駆動方式として、画素ごとにTFT(Thin Film Transistor)が配置されて画素単位での表示の書き換えが可能であり、動画の表示に適しているアクティブマトリクス方式が主に採用されている。また、液晶分子に電圧を印加する主な方式としては、TN(ツイステッドネマティック)モード、STN(スーパー・ツイステッドネマティック)モード、IPSモード等が挙げられる。
TNモードやSTNモードは、液晶層を駆動する電極として2枚の基板上に形成した相対向する透明電極を用いて、液晶に印加する電界の方向を上記基板面にほぼ垂直な方向とすることで動作するモードである。一方、IPSモードは、基板に対して液晶分子が常に水平であるようにスイッチングされるモードであって、基板に対して水平方向の横電界を用いてスイッチングさせること特徴とする。それ故、液晶分子が斜めに立ち上がることがなく、見る角度による光学特性の変化が小さいため、TNモードやSTNモードよりも広視野角が得られることが知られている(例えば、特許文献1及び2参照)。
また、温度や湿度の影響から偏光板に用いられているフィルムが歪むことによって生じる応力のために発生するリタデーションに起因して現れる表示むらを抑制する楕円偏光板に関する技術も知られている(例えば、特許文献3参照)。
特公昭63−21907号公報 特許第2940354号公報 特開2003−90913号公報
しかしながら、上述した技術を適用した液晶表示装置において、タッチパネルを操作する要領で指やペン等により表示画面をタッチした場合に、タッチした部分に応力が加わるため発生するリタデーションによって光漏れが生じてしまうことがある。特に、IPSモードの液晶表示装置は主にノーマリブラックであるが、この黒の表示時に光漏れが白っぽく目立つ。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、表示画面にある程度の応力が加えられた場合にも、特に、液晶ディスプレイの主要な構成部材であるガラス基板において発生するリタデーションを打消して光漏れの目立たない表示画面を表示する液晶表示装置を提供することである。
上記課題を解決するために、液晶層を介して1対のガラス基板からなる液晶セル、及び液晶セルの両側に配設された2つの偏光層とからなる液晶表示装置において、液晶表示装置は、ガラス基板の一方に応力が加わった際に発生するリタデーションを打消す補償フィルムを備え、この補償フィルムが補償されるガラス基板の一方に異方性媒体を介さずに隣接されていることを特徴とする。
また、液晶層を介して1対のガラス基板からなる液晶セル、及び液晶セルの両側に配設された2つの偏光層とからなる液晶表示装置において、液晶表示装置が負の光弾性を有する補償フィルムを2つ含み、この補償フィルムは、ガラス基板が液晶層に接する側とは反対側に各々配設されていることを特徴とする。
また、請求項1又は2に記載の液晶表示装置において、2つの偏光層のうち少なくとも一方は、補償フィルムを基板としてこの基板上に形成されていることを特徴とする。
また、請求項1又は2に記載の液晶表示装置において、補償フィルムが基板となって、この基板上に液晶層の光学的な歪みを補償する位相差層を形成することを特徴とする。
また、請求項2に記載の液晶表示装置おいて、補償フィルムの一方は2つの偏光層のうち何れか一方が形成されている基板であり、他方は液晶層の光学的な歪みを補償する位相差層が形成されている基板であることを特徴とする。
以下に、本発明の原理について詳細に説明する。まず、例えば、ノーマリブラックの液晶ディスプレイに応力が加えられた場合、光弾性効果により液晶ディスプレイの内部でリタデーションが発生するため光の電気ベクトルが旋回し、偏光板対を透過する光または反射光となり、表示画面に光漏れが生じてしまう。
光弾性効果とは、物質が外部から応力を加えられた際に一時的に光学異方体となって複屈折を生じ、この応力が取り除かれた後には元の複屈折が生じていない状態に戻ることである。光弾性効果は次式で表される。
△n=C×f(式1)
△nは屈折率異方性すなわち複屈折率差、Cは光弾性定数、fは応力を示している。
光弾性定数は、各物質が有している固有の定数である。図5は、光弾性定数の測定方法を説明する図である。図5に示したように、偏光の向きが直交するように設置された偏光板53aと偏光板53bの間に被測定物51を配置する。そして、応力fを矢印50aの方向に点加重として加え、この状態で矢印50bの方向から光を照射する。ただし、被測定物51は透明なものとする。
この場合、被測定物51は、応力fを加えた点を中心に四方八方の方向の歪みを生じる。この歪みによる応力により被測定物51に光弾性による光異方性が生ずると、照射光は旋回し、透過率の変化をもたらすことになる。矢印50cの方向に出射する偏光を観測して得られる複屈折の度合いから、被測定物51の光弾性定数を測定する。
このとき観測される偏光の複屈折の度合いは、上述した光弾性効果の関係式(式1)から、被測定物51の光弾性定数の大きさに比例する。また、被測定物51に発生しているリタデーションの大きさは、厚さdの物質に入射した光が、この物質が有する屈折率異方性によって楕円偏光となり、この物質中を伝播する光の電気ベクトルが旋回する旋回角の大きさを意味しており、屈折率異方性△nと光が伝播する物質の厚さdとの積△ndで表される。
また、光弾性定数には正と負の定数があり、正の光弾性定数を有する物質と、負の光弾性定数を有する物質とが存在する。加えられた応力のベクトルがX−Y平面に含まれており、その方向がX方向である場合、正の高弾性定数の物質はX方向の屈折率が大きくなり、負の光弾性定数の物質はY方向の屈折率が大きくなる。なお、正の光弾性定数を有する物質と負の光弾性定数を有する物質とを組み合わせた場合、互いの光弾性を打ち消しあう作用がある。
ところで、IPSモードの液晶表示装置は、電界無印加時に黒、電界印加時に白を表示するノーマリブラックモードで動作させることが一般的である。図6は、従来の液晶ディスプレイ構成の概要を示した図である。図6に示したように、従来の液晶ディスプレイは、2枚のガラス基板63a、63bの間に液晶65が封入され、このガラス基板63a、63bの上下に偏光板61aと61bとを配設して形成されている。偏光板61aと偏光板61bとは、偏光方向が直交するように配設している。例えば、ノーマリブラックモードでホモジニアス配向の場合は、液晶分子長軸がガラス基板に水平に配向されているため、液晶65の長軸方向を直交した2枚の偏光板61a、61bのどちらかの軸に合わせることにより黒を表示する。
このように、直交した2枚の偏光板61a、61bでガラス基板63a、63bや液晶65を挟んだ構造の液晶ディスプレイ60に応力が加えられた場合、特にガラス基板63a、63bによるリタデーションが発生して輝度の変化が起きる。これは、液晶ディスプレイ60を構成する各物質が有する光弾性によって発生するリタデーションによるものである。
そこで、本発明は、液晶ディスプレイが有する光弾性を打消すことによって、応力を加えられた場合におけるリタデーションの発生を防止するものである。
具体的には、正の光弾性を有する部材(主に、ガラス基板)からなる液晶ディスプレイに負の光弾性を有する部材を使用することにより、この液晶ディスプレイが有する光弾性を打消す。このとき、正の光弾性を有する部材の層と負の光弾性を有する部材の層とを組み合わせて全体的な光弾性を打消すためには、各層における光軸が一致することと、正と負の光弾性の層の間に異方性媒質(この場合、液晶層)を挟まないことの2つの条件を満たす必要がある。
一軸性媒質を考えると、リタデーションΔndは次式で表される。
Δnd=(ne−n)d(式2)
ただし、dは媒質の厚みを、neは異常光の屈折率を、nは常光の屈折率を示している。つまり、異常光の伝播速度に対する常光の遅れに対応するものがリタデーションである。例えば、異常光の屈折率がそれぞれn2とn3であり、常光の屈折率がそれぞれn1とn4である2つの厚みが同じ媒質を、光軸を合わせて重ね合わせたときに、上記の遅れをとりもどすためには、n2−n1=n3−n4を満たせばよい。すなわち、応力を加えたときに光弾性によってリタデーションが生じる場合は、2つの媒質が有する光弾性定数が正と負で絶対値が等しい場合に対応する。そのため、2つの媒質に同じ応力がかかった際に、互いに大きさが等しくかつ符合が異なるΔnが発生して、上記遅れをキャンセルすることができる。
しかし、上記2つの媒質の間に、液晶などの軸の方向が一定で、リタデーションの大きさの違う媒質が間に入ると、この媒質で位相遅れが生じる。この挿入された媒質の光軸は一定なのに対して、2つの媒質は任意に加えられた応力に対応して発生するために軸の角度は任意である。従って、この挿入された媒質による位相の遅れがあって、リタデーションをキャンセルすることができなくなる。
この点を改良するために、液晶などの固定された方向のリタデーションを有する一軸性媒質を挟むことなく、ガラスが有する正の光弾性を負の光弾性を有するフィルムで補償することが必要になる。
実際に、液晶ディスプレイ全体には同じ方向の応力がかかるため、この液晶ディスプレイにおいて液晶層以外の光軸は一致する。従って、液晶などの異方性媒質を挟まずに、正の光弾性を有する部材の層と負の光弾性を有する部材の層とを配設すれば、各層において発生するリタデーションをより確実に打消すことができる。すなわち、液晶を介して2枚のガラス基板からなる液晶セルの上下両側に、それぞれ正の光弾性を有する部材の層と負の光弾性を有する部材の層とを光弾性を打消すように配設すればよい。
本発明を適用した液晶ディスプレイの効果を説明するため、視覚野特性についてコンピュータ・シミュレーションを実行した結果を図7及び図8に示した。図7は、従来の液晶ディスプレイの視覚野特性を示した図であり、図8は、本発明を適用した液晶ディスプレイの視覚野特性を示した図である。図7及び図8は、応力を点荷重した場合に、表示画面に対して水平方向を0度として方位角40度方向のリタデーションが発生した際の視野角特性を示している。なお、図7及び図8において、等高線は輝度を表し、図の方位角は視角の方位角を表し、半径方向は視角の極角を表している。
図7及び図8に示したように、方位角の角度が45度、135度、225度、315度において、輝度が高い。これは、直交偏光板が原理的に有する特性によるものである。しかし、45度以外の箇所において、図8に示した輝度は、図7に示した輝度よりも低くなっている。これは、本発明を適用した液晶ディスプレイが、従来の液晶ディスプレイに比べて、表示画面に応力を加えられた際に発生するリタデーションを抑制していることを示している。したがって、本発明を適用することにより、応力を加えられた場合に発生する光漏れを防止することができることを理論的に証明できた。
請求項1に記載された発明によれば、液晶層を介して1対のガラス基板の一方に応力が加えられた際に発生するリタデーションを打消す補償フィルムを、補償されるガラス基板の一方に異方性媒体を介さずに隣接させて配設することによって、液晶表示装置が有する光弾性を打消す。これにより、表示画面に応力が加えられた際のリタデーションの発生を抑制して表示画面に現れる光漏れを緩和することが可能である。
請求項2に記載された発明によれば、液晶層を介して1対のガラス基板からなる液晶セルの上下両側に、負の光弾性を有する補償フィルムを配設することによって、液晶表示装置が有する光弾性を打消す。これにより、表示画面に応力が加えられた際にガラス基板におけるリタデーションの発生をより確実に抑制して表示画面に現れる光漏れを緩和することが可能である。
請求項3に記載された発明によれば、2つの補償フィルムが偏光板の基板となる場合には、新たな層を配設する必要が無い。また、2つの補償フィルムの何れか一方を偏光板の基板とする場合には、一層のみを新たに配設すればよい。これにより、請求項1又は2に記載された発明の効果とほぼ同じ効果が得られるとともに、生産コストを削減することが可能である。
請求項4に記載された発明によれば、2つの補償フィルムが位相差フィルムの基板となる場合には、位相差フィルム以外に新たな層を配設する必要が無い。また、2つの補償フィルムの何れか一方が位相差フィルムの基板となる場合には、一層のみを新たに配設すればよい。これにより、位相差フィルムを用いて広視覚野化や着色防止を図るとともに、液晶表示装置が有する光弾性を打消す。したがって、高品質画質を表示する表示画面に応力が加えられた際にも、リタデーションの発生が抑制されて表示画面に現れる光漏れを緩和することが可能である。
請求項5に記載された発明によれば、2つの補償フィルムの一方が偏光板の基板であり、他方が位相差フィルムの基板となるため、位相差フィルム以外に新たな層を配設する必要が無い。これにより、請求項4に記載された発明の効果とほぼ同じ効果が得られるとともに、生産コストを削減することが可能である。
液晶ディスプレイの構成に占める割合が最も大きい物質は、ガラス基板に使用されるガラスである。ガラスは、透明であって、通常の状態におけるリタデーションはほぼ無いに等しい。ところが、ガラスは正の光弾性定数を有しており、応力を加えた場合には、その厚みに比例したリタデーションを発生する。
また、偏光板の支持板として使用されるTAC(トリアセチルセルロース)や位相差フィルム等、従来の液晶ディスプレイの構成に使用している物質は、正の光弾性定数を有している。
本発明では、ガラス基板をはじめとして、液晶ディスプレイを構成する各部材が有する光弾性を打消すため、負の光弾性定数を有する部材を使用した層を含む液晶ディスプレイを形成する。
以下、本発明を適用した液晶ディスプレイの第1〜第4実施形態について、図1〜図4を参照しながら詳細に説明する。
<第1実施形態>
図1は、本実施形態の液晶ディスプレイ構成の概要を示す図である。液晶ディスプレイ10は、2枚のガラス基板15a、15bの間にIPS駆動用液晶17を封入し、このガラス基板15a、15bの両外側を、負の光弾性定数(NPEC)を有するNPECフィルム13a(第1補償フィルム)とNPECフィルム13b(第2補償フィルム)とで挟み、この両外側に偏光板11aと偏光板11bとを、それぞれ配設して形成されている。
ガラス基板15a、15bは、それぞれ厚さ0.5〜1.1mmのガラス板である。ガラスの光弾性定数は、(+)10−12〜10−10Pa−1であるので、例えば、光弾性定数が3×10−11Pa−1、厚さが0.7mmのガラス板に、応力が100g/mm加えられた場合、発生するリタデーションは23nmである。また、偏光板11a、11bは、TACなどからなる基板の上に偏光層を被覆して形成されたものである。
NPECフィルム13a、13bは、負の光弾性を有する代表的な材料であるポリスチレンを使用した部材である。その他に使用する例としては、負の光弾性を有する高分子である、ポリメチルメタクリレート、アクリロニトリル、スチレン共重合体、スチレン・無水マレイン酸共重合体、マレイミド・スチレン共重合体などが挙げられる。
上記のように液晶ディスプレイ10を構成することによって、表示画面に応力が加えられた際に、ガラス基板15a、15bで発生するリタデーションをNPECフィルム13a、13bにより抑制できる。液晶ディスプレイ10を形成する部材の中で最も厚みのあるものはガラス基板15a、15bであるため、ガラス基板15a、15bで発生するリタデーションが液晶ディスプレイ10で発生する光学的なリタデーションとなる。したがって、ガラス基板15a、15bで発生するリタデーションを抑えることによって、液晶ディスプレイ10を備える液晶表示装置における表示画面に現れる光漏れを緩和することができる。
<第2実施形態>
本実施形態では、上述した第1実施形態のNPECフィルム13a及び13bのように新たな層を追加することなく、偏光板として負の光弾性を有する部材を使用して液晶ディスプレイを形成する。以下、本実施形態について詳細に説明する。なお、第1実施形態と同じ部材には、同じ符号番号を付すものとする。
図2は、本実施形態の液晶ディスプレイ構成の概要を示す図である。液晶ディスプレイ20は、2枚のガラス基板15a、15bの間に液晶17を封入し、このガラス基板15a、15bの両外側をNPEC偏光板21a(第1補償フィルム)とNPEC偏光板21b(第2補償フィルム)とで挟んで形成されている。液晶ディスプレイ20が、上記第1実施形態の液晶ディスプレイ10と異なる点は、偏光板としてNPEC偏光板21a、21bを用いることである。
NPEC偏光板21a、21bは、従来の偏光板に用いられている正の光弾性定数を有するTACに換えて、負の光弾性定数を有する材料を用いて製造されたものである。具体的には、負の光弾性を有するポリスチレンや上記第1実施形態において列挙した負の光弾性を有する高分子からなる基板上に偏光層を被覆したものである。
上記のように液晶ディスプレイ20を構成することによって、負の光弾性を有する層を新たに配設せずに、上記第1実施形態とほぼ同様の効果が得られる。第1実施形態に比べて配設する層の数が少なくて済むため、生産コストの削減を図ることもできる。
なお、本実施形態の2つのNPEC偏光板21a、21bの何れか一方を、上記第1実施形態の偏光板11aとNPECフィルム13aとからなる層、あるいは偏光板11bとNPECフィルム13bとからなる層に換えて配設することとしてもよい。ただし、この場合には、NPEC偏光板21aあるいは21bと、NPECフィルム13aあるいは13bとが有する光弾性定数に応じて、これら2つの層で発生するリタデーションのバランスがとれるよう、その各部材の厚さを調整する必要がある。
<第3実施形態>
本実施形態では、上述した第1実施形態の液晶ディスプレイ10に、更に従来の視野角改善のため、位相差フィルムが配設された場合の液晶ディスプレイを形成する。以下、本実施形態について詳細に説明する。なお、第1実施形態と同じ部材には、同じ符号番号を付すものとする。
図3は、本実施形態の液晶ディスプレイ構成の概要を示す図である。液晶ディスプレイ30は、2枚のガラス基板15a、15bの間に液晶17を封入し、このガラス基板15a、15bの両外側をNPECフィルム13a(第1補償フィルム)とNPECフィルム13b(第2補償フィルム)とで挟み、この両外側に位相差フィルム33aと位相差フィルム33b、更にその両外側に偏光板11aと偏光板11bとを、それぞれ配設して形成されている。
位相差フィルム33a、33bについては、特公平3−50249号公報より、DAC、PET、二酢酸セルロース、PVA、ポリアミド、ポリエーテルサルフォン、アクリル、ポリサルフォン、ポリイミド、ポリオレフィン系等の一軸延伸フィルムを用いることが知られている。また、具体的に使用する材料として、富士写真フィルム株式会社の製品であるWVフィルム(登録商標)や新日本石油株式会社の製品であるLCフィルム(登録商標)等も挙げられる。
上記のように液晶ディスプレイ30を構成することによって、位相差フィルム33a、33bを用いて液晶ディスプレイを形成する場合にも、上記第1実施形態とほぼ同様の効果が得られる。したがって、液晶ディスプレイ30を備える液晶表示装置において、位相差フィルム33a、33bの特性によって広視覚野化や着色化防止を図ることができるとともに、表示画面に現れる光漏れを緩和することができる。
<第4実施形態>
本実施形態では、上述した第3実施形態のNPECフィルム13a及び13bのように新たな層を追加することなく、位相差フィルムとして負の光弾性を有する部材を使用して液晶ディスプレイを形成する。以下、本実施形態について詳細に説明する。なお、第3実施形態と同じ部材には、同じ符号番号を付すものとする。
図4は、本実施形態の液晶ディスプレイ構成の概要を示す図である。液晶ディスプレイ40は、2枚のガラス基板15a、15bの間に液晶17を封入し、このガラス基板15a、15bの両外側をNPEC位相差フィルム43a(第1補償フィルム)とNPEC位相差フィルム43b(第2補償フィルム)とで挟み、この両外側に偏光板11aと偏光板11bとを、それぞれ配設して形成されている。液晶ディスプレイ40が、上記第3実施形態の液晶ディスプレイ30と異なる点は、位相差フィルムとしてNPEC位相差フィルム43a、43bを用いることである。
NPEC位相差フィルム43a、43bは、従来の位相差フィルムに用いられている正の光弾性を有するTACに換えて、負の光弾性を有するポリスチレンや上記第1実施形態において列挙した負の光弾性を有する高分子を使用して製造した位相差フィルムである。
上記のように液晶ディスプレイ40を構成することによって、負の光弾性を有する層を新たに配設せずに、上記第3実施形態とほぼ同様の効果が得られる。第3実施形態に比べて配設する層の数が少なくて済むため、生産コストの削減を図ることもできる。
なお、本実施形態の2つのNPEC位相差フィルム43a、43bの何れか一方を、上記第3実施形態の位相差フィルム33aとNPECフィルム13aとからなる層、あるいは位相差フィルム33bとNPECフィルム13bとからなる層に換えて配設することとしてもよい。ただし、この場合には、NPEC位相差フィルム43aあるいは43bと、NPECフィルム13aあるいは13bとが有する光弾性定数に応じて、これら2つの層で発生するリタデーションのバランスがとれるよう、その各部材の厚さを調整する必要がある。
また、本実施形態の2つのNPEC位相差フィルム43a、43bの何れか一方を、上記第3実施形態の位相差フィルム33aあるいは33bに換えて配設するとともに、これと同じ側に配設する偏光板を上記第2実施形態のNPEC偏光板21aあるいは21bとすることとしてもよい。ただし、この場合にも、各層で発生するリタデーションのバランスがとれるよう、配設する各部材の厚さを調整する必要がある。
また、本実施形態のNPEC位相差フィルム43a、43bは、負の光弾性を有する高分子フィルムを精密な一軸延伸により主鎖一定方向に配向させて製造され、偏光板一体型であることとしてもよい。この場合、NPEC位相差フィルム43a、43bを基板として、この基板上に上記第2実施形態のNPEC偏光板21a、21bと同様に偏光層が被覆されるものとする。
本発明における第1実施形態の液晶ディスプレイ構成を示す図である。 本発明における第2実施形態の液晶ディスプレイ構成を示す図である。 本発明における第3実施形態の液晶ディスプレイ構成を示す図である。 本発明における第4実施形態の液晶ディスプレイ構成を示す図である。 光弾性定数の測定方法を説明する図である。 従来の液晶ディスプレイ構成を示す図である。 従来の液晶ディスプレイの視覚野特性を示す図である。 本発明を適用した液晶ディスプレイの視覚野特性を示す図である。
符号の説明
10、20、30、40、60 液晶ディスプレイ
11a、11b 偏光板
13a、13b NPECフィルム
15a、15b ガラス基板
17 液晶
21a、21b NPEC偏光板
33a、33b 位相差フィルム
43a、43b NPEC位相差フィルム

Claims (5)

  1. 液晶層を介して1対のガラス基板からなる液晶セル、及び前記液晶セルの両側に配設された2つの偏光層とからなる液晶表示装置において、
    前記液晶表示装置は、前記ガラス基板の一方に応力が加わった際に発生するリタデーションを打消す補償フィルムを備え、該補償フィルムが前記補償されるガラス基板の一方に異方性媒体を介さずに隣接されていることを特徴とする液晶表示装置。
  2. 液晶層を介して1対のガラス基板からなる液晶セル、及び前記液晶セルの両側に配設された2つの偏光層とからなる液晶表示装置において、
    前記液晶表示装置が負の光弾性を有する補償フィルムを2つ含み、該補償フィルムは、前記ガラス基板が前記液晶層に接する側とは反対側に各々配設されていることを特徴とする液晶表示装置。
  3. 請求項1又は2に記載の液晶表示装置において、
    前記2つの偏光層のうち少なくとも一方は、前記補償フィルムを基板として該基板上に形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
  4. 請求項1又は2に記載の液晶表示装置において、
    前記補償フィルムが基板となって、該基板上に前記液晶層の光学的な歪みを補償する位相差層を形成することを特徴とする液晶表示装置。
  5. 請求項2に記載の液晶表示装置おいて、
    前記補償フィルムの一方は前記2つの偏光層のうち何れか一方が形成されている基板であり、他方は前記液晶層の光学的な歪みを補償する位相差層が形成されている基板であることを特徴とする液晶表示装置。
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