JP2009204851A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 容易に入手可能な光学異方性フィルムを用いて、視角補償可能な液晶セルのリタデーション範囲を広くすることができる液晶表示素子を提供する。
【解決手段】 第１及び第２の偏光板がクロスニコル配置されている。２枚の偏光板の間に、電圧無印加時に垂直配向する液晶セルが配置されている。液晶セルと、第１の偏光板との間に、光学異方性を有する光学フィルムが偶数枚配置されている。液晶セルのリタデーションが３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下である。光学フィルムの各々は、ｎｘ＞ｎｙ≧ｎｚを満たし、面内リタデーションが３００ｎｍ以下であり、厚さ方向のリタデーションが５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、第１の偏光板に最も近い位置に配置された光学フィルムの面内遅相軸と、第１の偏光板の吸収軸とのなす角度が４５°以下であり、相互に隣接する光学フィルムの遅相軸が相互に直交する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、一対の偏光板がクロスニコル配置され、液晶分子が垂直配向した液晶表示装置に関する。

車載用情報表示装置として、重量の軽減が可能で車載電源をそのまま使用することができる液晶表示装置が注目されている。外観上の高級感を高めるために、背景表示部や暗表示部の表示輝度を低くすることが求められている。バックライトの光源に、発光ダイオードを用いて発光をほぼ単一波長化することにより、その波長域においてのみコントラストを飛躍的に高めるノーマリブラック型液晶表示素子が開発されている。

バックライトの発光波長に依存せず、良好なノーマリブラック表示を実現する液晶表示装置として、垂直配向モード（ＶＡモード）の液晶セルを利用した表示装置が注目されている。ＶＡモードの液晶セルにおいては、電圧無印加時またはオフ電圧印加時に、液晶分子が基板面に対して垂直配向する。ここで、「垂直配向」とは、液晶分子のダイレクタの向きが基板面に対して厳密に垂直であることを意味するのではなく、液晶分子のダイレクタが、電圧印加時に基板法線方向から傾いている状態と比べて、基板面に対して垂直に近い向きに配向している状態を意味する。この液晶セルを、ほぼクロスニコル配置した２枚の偏光板の間に配置して液晶表示素子を構成することにより、ノーマリブラック表示が実現される。

基板法線方向から観察したとき、液晶表示素子の光学特性は、クロスニコル配置した偏光板の光学特性とほぼ同等になる。このため、透過率が非常に低くなり、高いコントラストを比較的容易に実現することが可能になる。ところが、斜め方向から観察すると、黒表示状態において光漏れが生じる。これは、液晶層に複屈折が生じるため、及び２枚の偏光板の透過軸が直交関係からずれるためである。斜め方向から観察したときのコントラストの低下を抑制するために、下記の種々の方法が提案されている。

特許文献１に、２枚の偏光板と液晶セルとの間の一方または両方に、負の一軸光学異方性または負の二軸光学異方性を有する視角補償板を挿入した液晶表示素子が開示されている。ここで、「負の二軸光学異方性を有する視角補償板」とは、基板またはフィルムの面内における遅相軸方位をｘ軸、進相軸方位をｙ軸とし、厚さ方向をｚ軸とし、屈折率のｘ、ｙ、ｚ成分をそれぞれｎｘ、ｎｙ、ｎｚとしたとき、ｎｘ＞ｎｙ＞ｎｚの関係を有する視角補償板を意味する。特許文献２に、二軸光学異方性を有する視角補償板の面内位相差や面内遅相軸の配置に関して有効な条件が開示されている。

負の一軸光学異方性を有する視角補償板は、「負のＣプレート」と呼ばれる。また、負の二軸光学異方性を有する視角補償板を「負の二軸フィルム」ということとする。なお、遅相軸が面内方向を向く正の一軸光学異方性を有する視角補償板、すなわちｎｘ＞ｎｙ＝ｎｚの関係を有する光学フィルムは、「正のＡプレート」と呼ばれる。正のＡプレートは、負の二軸フィルムの屈折率ｎｙとｎｚとが等しくなった特殊な場合と考えることができる。

特許文献３に、二軸光学異方性を有するほぼ１／２波長板と、負のＣプレートとを用いる方法が開示されている。この方法では、１／２波長板自体が、どの方向から観察してもほぼ１／２波長の位相差を生じさせる必要があるため、実際には正の二軸光学異方性を有する１／２波長板が必要である。ところが、正の二軸光学異方性を有する１／２波長板の実現は困難である。

特許文献４に、負の二軸フィルムと負のＣプレートとを組み合わせる方法が開示されている。この方法では、二軸フィルムの面内リタデーションが１９０ｎｍ以下、液晶層のリタデーションが２００〜５００ｎｍに限定される。ここで、液晶層のリタデーションは、液晶材料の屈折率異方性をΔｎ、液晶層の厚さをｄとしたとき、Δｎｄで表される。

特開昭６２−２１０４２３号公報 特開２０００−１３１６９３号公報 特開２０００−３９６１０号公報 特開２００３−２６２８６９号公報

ＶＡモードの液晶表示素子を、１／４デューティ〜１／２４０デューティでマルチプレックス駆動するには、液晶層のリタデーションΔｎｄを３２０ｎｍより大きくすることが好ましく、３６０ｎｍより大きくすることがより好ましい。液晶層のリタデーションが小さくなると、高デューティ駆動時において、ノーマリブラック型ＶＡモード液晶表示素子の特徴である高コントラスト特性と、オン電圧印加時における透過率を高く維持することとの両立が困難になるためである。

負の二軸フィルムとして、ノルボルネン系環状オレフィン（以下、「ノルボルネン系ＣＯＰ」と記す。）からなる原反フィルムを二軸延伸加工したものや、トリアセチルセルロース（以下、「ＴＡＣ」と記す。）をベースにしたフィルムを延伸加工したものが市場に流通している。

ノルボルネン系ＣＯＰを用いた負の二軸フィルムでは、リタデーションの面内均一性を確保するという観点から、一般的に、面内リタデーションＲｅが３０ｎｍ〜３００ｎｍ、厚さ方向のリタデーションＲｔｈが３００ｎｍ以下、Ｎｚファクタが１〜１２の範囲内である。ここで、面内遅相軸方位の屈折率をｎｘ、面内進相軸方位の屈折率をｎｙ、厚さ方向の屈折率をｎｚ、厚さをｄとしたとき、Ｒｅ＝（ｎｘ−ｎｙ）／ｄ、Ｒｔｈ＝（（ｎｘ＋ｎｙ）／２−ｎｚ）×ｄ、Ｎｚ＝（ｎｘ−ｎｚ）／（ｎｘ−ｎｙ）で表される。

市場に流通しているＴＡＣベースの二軸フィルムのリタデーション及びＮｚファクタの範囲は、ノルボルネン系ＣＯＰを用いたものよりもさらに狭い。一般的に、面内リタデーションＲｅが４０〜７０ｎｍ、厚さ方向のリタデーションＲｔｈが１２０〜２２０ｎｍである。

理想的なＣプレートにおいては、面内リタデーションＲｅが０であるが、実際に市場に流通しているＣプレートの面内リタデーションＲｅは、厳密には０ではない。一般的なＣプレートの面内リタデーションＲｅは、好ましくは７ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以下になるように設定されている。また、市場に多く流通しているＣプレートは、厚さ方向のリタデーションＲｔｈが５０ｎｍ程度のＴＡＣフィルムであり、それ以外の厚さ方向のリタデーションＲｔｈを持つＣプレートを入手することは困難である。

一般的に入手可能な負の二軸フィルムや負のＣプレートを用いて、従来の視角補償方法により、ノーマリブラック型ＶＡモードの液晶表示素子の視角補償を行う場合、液晶層のリタデーションの範囲が制約される。

本発明の目的は、容易に入手可能な光学異方性フィルムを用いて、視角補償可能な液晶セルのリタデーション範囲を広くすることができる液晶表示素子を提供することである。

本発明の一観点によると、
相互にクロスニコル配置された第１及び第２の偏光板と、
前記第１の偏光板と第２の偏光板との間に配置され、電圧無印加時に垂直配向する液晶セルと、
前記液晶セルと、前記第１の偏光板との間に配置された偶数枚の光学異方性を有する光学フィルムとを有し、
前記液晶セルのリタデーションが３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であり、
前記光学フィルムの各々の面内遅相軸の方位をｘ軸、それに直交する面内方位をｙ軸、フィルム面に垂直な方向をｚ軸とし、屈折率のｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸成分を、それぞれｎｘ、ｎｙ、ｎｚとしたとき、前記光学フィルムの各々は、ｎｘ＞ｎｙ≧ｎｚを満たし、面内リタデーションが３００ｎｍ以下であり、厚さ方向のリタデーションが５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、前記第１の偏光板に最も近い位置に配置された光学フィルムの面内遅相軸と、該第１の偏光板の吸収軸とのなす角度が４５°以下であり、相互に隣接する光学フィルムの遅相軸が相互に直交する液晶表示装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
相互にクロスニコル配置された第１及び第２の偏光板と、
前記第１の偏光板と第２の偏光板との間に配置され、電圧無印加時に垂直配向する液晶セルと、
前記液晶セルと、前記第１の偏光板との間に配置された３枚以上で奇数枚の光学異方性を有する光学フィルムとを有し、
前記液晶セルのリタデーションが５５０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であり、
前記光学フィルムの各々の面内遅相軸の方位をｘ軸、それに直交する面内方位をｙ軸、フィルム面に垂直な方向をｚ軸とし、屈折率のｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸成分を、それぞれｎｘ、ｎｙ、ｎｚとしたとき、前記光学フィルムの各々は、ｎｘ＞ｎｙ≧ｎｚを満たし、面内リタデーションが３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、厚さ方向のリタデーションが５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、前記第１の偏光板に最も近い位置に配置された光学フィルムの面内遅相軸と、該第１の偏光板の吸収軸とのなす角度が４５°以上１３５°以下であり、相互に隣接する光学フィルムの遅相軸が相互に直交する液晶表示装置が提供される。

上述の光学異方性を持つ光学フィルムを複数枚配置することにより、入手容易な光学フィルムを採用することが可能になる。

ノーマリブラック型ＶＡモードの液晶表示素子の黒表示時における視角特性を、従来の光学フィルムの構成により改善するための好ましい条件について説明する。

図１に、従来のノーマリブラック型ＶＡモードの液晶表示素子の模式図を示す。クロスニコル配置された裏側偏光板１０と表側偏光板３０との間に、液晶セル２０が配置されている。裏側偏光板１０と液晶セル２０との間に、負の二軸フィルム１５が配置されている。表側偏光板３０と液晶セル２０との間に、もう１つの負の二軸フィルム２５が配置されている。

液晶セル２０は、一対の基板２１、２２、及びその間の間隙内に保持された液晶材料２３を含む。基板２１及び２２の対向面には、それぞれコモン電極及びセグメント電極が形成され、さらに、垂直配向膜が形成されている。垂直配向膜には、ラビング方向が相互に反平行になるように、ラビング処理が施されている。このラビング処理には、例えば特開２００５−２３４２５４号公報に示された方法を適用することができる。

基板２１と２２との間隔は、例えば２〜６μｍになるように球状スペーサで調整されている。液晶材料２３の屈折率異方性Δｎは０．０８以上０．２５以下であり、誘電率異方性Δεは負である。プレチルト角（液晶分子のダイレクタと基板面とのなす角度）は約８９．９°である。液晶材料２３を基板２１と２２との間に注入した後、液晶材料２３の等方相温度よりも約２０℃高い温度で１時間焼成することにより液晶セル２０が得られる。

裏側偏光板１０及び表側偏光板３０には、例えば、株式会社ポラテクノ製のＳＨＣ１３Ｕを用いる。裏側偏光板１０は、ＴＡＣベースフィルム１２と、その表面に形成された偏光層１１により構成される。表側偏光板３０は、ＴＡＣベースフィルム３１と偏光層３２とにより構成される。ＴＡＣベースフィルム１２及び３１が、偏光層１１及び３２よりも内側（液晶セル２０側）に配置される。ＴＡＣベースフィルム１２及び３１の各々の面内リタデーションＲｅは３ｎｍであり、厚さ方向のリタデーションＲｔｈは５０ｎｍである。偏光層１１及び３２の外側の表面は、ＴＡＣ等の保護フィルムで保護される。

負の二軸フィルム１５及び２５には、例えば、ノルボルネン系ＣＯＰフィルムを二軸延伸加工したものを用いることができる。両者の光学特性は同一とした。すなわち、二軸フィルム１５の面内リタデーションＲｅ１と二軸フィルム２５の面内リタデーションＲｅ２とは等しく、二軸フィルム１５の厚さ方向のリタデーションＲｔｈ１と二軸フィルム２５の厚さ方向のリタデーションＲｔｈ２とは等しい。

裏側偏光板１０の外側にバックライトが配置され、表側偏光板３０側から液晶表示素子を視認する。

液晶表示素子を正面から観察する状態で、右及び左が、それぞれ０°、１８０°となり、上及び下が、それぞれ９０°、２７０°となるように方位角を定義する。裏側偏光板１０の吸収軸１１ａ及び面内遅相軸１２ｓの方位を４５°、表側偏光板３０の吸収軸３２ａ及び面内遅相軸３１ｓの方位を１３５°とした。

裏側に配置された負の二軸フィルム１５の面内遅相軸１５ｓは、それに近接する裏側偏光板１０の吸収軸１１ａと直交する方位、すなわち方位１３５°とした。表側に配置された負の二軸フィルム２５の面内遅相軸２５ｓは、それに近接する表側偏光板３０の吸収軸３２ａと直交する方位、すなわち方位４５°とした。

液晶セル２０内の液晶材料２３のプレチルトの方位は９０°とした。

液晶セル２０のリタデーションΔｎｄが３６０ｎｍ、６００ｎｍ、及び９００ｎｍの場合について、黒表示状態の液晶表示素子を視角４５°で観察したときの透過率と、二軸フィルムの面内リタデーションＲｅとの関係を、シミュレーションにより算出した。

図２に、シミュレーション結果を示す。横軸は、二軸フィルム１５及び２５のリタデーションＲｅ１及びＲｅ２を単位「ｎｍ」で表し、縦軸は透過率を単位％で表す。二軸フィルム１５及び２５の厚さ方向のリタデーションＲｔｈ１及びＲｔｈ２の各々は、液晶セル２０のリタデーションΔｎｄが３６０ｎｍ、６００ｎｍ、及び９００ｎｍのときに、それぞれ１１０ｎｍ、２２０ｎｍ、及び３００ｎｍとした。

図２の実線が、方位１８０°の向きに傾けた視線で観察した場合、破線が、方位０°の向きに傾けた視線で観察した場合の透過率を示す。方位０°の場合と方位１８０°の場合とで、透過率が異なるのは、液晶セル２０のプレチルト角を８９．９°としたためである。プレチルト角が９０°、すなわち液晶分子が厳密に垂直配向している場合には、方位０°の透過率と方位１８０°の透過率とは一致する。

透過率が最小になるように、二軸フィルム１５及び２５の面内リタデーションＲｅ１及びＲｅ２を選択することにより、コントラストを高めることができる。透過率が最小になる面内リタデーションＲｅ１及びＲｅ２は、液晶セル２０のリタデーションΔｎｄに依存することがわかる。一般に、マルチプレックス駆動のデューティ条件によって、液晶セル２０の最適なリタデーションΔｎｄが異なり、デューティ条件ごとに液晶セル２０のリタデーションΔｎｄが決定される。このため、デューティ条件の異なる液晶表示素子ごとに、光学特性の異なる負の二軸フィルムを用いなければならない。

図３に、負の二軸フィルムと負のＣプレートとを用いて視角補償を行う従来の液晶表示素子の模式図を示す。図３に示した例では、裏側偏光板１０と液晶セル２０との間には、光学フィルムを配置せず、表側偏光板３０と液晶セル２０との間に、液晶セル２０側から順番に、負のＣプレート２６及び負の二軸フィルム２７を配置している。負の二軸フィルム２７の面内遅相軸２７ｓは、表側偏光板３０の吸収軸３２ａと直交する。すなわち、面内遅相軸２７ｓの方位は４５°である。その他の構成は、図１に示した液晶表示素子の構成と同一である。

図４に、図２と同様のシミュレーション結果を示す。二軸フィルム２７の厚さ方向のリタデーションＲｔｈ４は２２０ｎｍとした。負のＣプレート２６の厚さ方向のリタデーションＲｔｈ３は、液晶セル２０のリタデーションΔｎｄが３６０ｎｍ、６００ｎｍ、及び９００ｎｍの場合に、それぞれ０ｎｍ、２２０ｎｍ、及び４４０ｎｍとした。厚さ方向のリタデーションＲｔｈ３が０ｎｍのＣプレートは、光学異方性を有しない透明な板である。

液晶セル２０のリタデーションΔｎｄがいずれの場合でも、負の二軸フィルム２７の面内リタデーションＲｅ４が約５０ｎｍのときに、透過率が最小になっている。このため、液晶セル２０のリタデーションΔｎｄが異なる複数の液晶表示素子に、同一の光学特性を持つ負の二軸フィルムを採用することができる。また、液晶セル２０のリタデーションΔｎｄが３６０ｎｍ以下の液晶表示素子に用いられる負の二軸フィルム及びＣプレートを流用することができる。このため、コスト低減を図ることが可能である。

図３では、Ｃプレート２６と負の二軸フィルム２７とを、表側偏光板３０と液晶セル２０との間に配置したが、Ｃプレート２６と負の二軸フィルム２７との一方を、表側偏光板３０と液晶セル２０との間に配置し、他方を裏側偏光板１０と液晶セル２０との間に配置しても、同様の効果が得られることがシミュレーションにより確認された。また、実際に液晶表示素子を作製し、シミュレーション解析結果が再現されることを確認した。

ところが、広い領域に亘って面内リタデーションＲｅが０のＣプレート２６を実現することは困難である。

図５に、第１の実施例による液晶表示素子の概略模式図を示す。裏側偏光板１０と液晶セル２０との間には、光学フィルムが配置されていない。表側偏光板３０と液晶セル２０との間に、第１の光学フィルム４０と第２の光学フィルム４１とが配置されている。第１の光学フィルム４０が表側偏光板３０側に配置され、第２の光学フィルム４１が液晶セル２０側に配置されている。その他の構成は、図１に示した液晶表示素子と同一である。

第１の光学フィルム４０及び第２の光学フィルム４１には、負の二軸フィルムまたは正のＡプレートが用いられる。すなわち、第１の光学フィルム４０及び第２の光学フィルム４１は、ｎｘ＞ｎｙ≧ｎｚを満たす光学異方性を有する。第１の光学フィルム４０及び第２の光学フィルム４１の面内リタデーションＲｅ５及びＲｅ６は、共に５０ｎｍとした。第１の光学フィルム４０の面内遅相軸４０ｓ及び第２の光学フィルム４１の面内遅相軸４１ｓを、種々の方位に設定したときの視角特性をシミュレーションにより求めた。

図７Ａ〜図７Ｃに、それぞれ液晶セルのリタデーションΔｎｄを３２０ｎｍ、６００ｎｍ、及び７６５ｎｍに設定したときの左右方向の視角特性を示す。横軸は視角を単位「°」で表し、縦軸は透過率を単位「％」で表す。ここで、「視角」とは、液晶表示素子の基板面の法線と、視線とのなす角度をいう。図７Ａ〜図７Ｃでは、０°方位（右側）に傾けた場合の視角を正、１８０°方位（左側）に傾けた場合の視角を負とした。

第１の光学フィルム４０の厚さ方向のリタデーションＲｔｈ５及び第２の光学フィルム４１の厚さ方向のリタデーションＲｔｈ６は同一であり、液晶セルのリタデーションΔｎｄが３２０ｎｍ、６００ｎｍ、及び７６５ｎｍの場合に、それぞれ１１０ｎｍ、２２０ｎｍ、及び３００ｎｍとした。黒表示時、液晶セル２０は、ほぼ正のＣプレートとして作用する。第１の光学フィルム４０及び第２の光学フィルム４１の厚さ方向のリタデーションは、主として液晶セル２０が持つ正のＣプレートとしての作用を補償するように決定される。

図６Ａに、遅相軸４０ｓ及び４１ｓの方位を共に４５°とした場合を示す。図６Ｂに、遅相軸４０ｓ及び４１ｓの方位を、それぞれ４５°及び１３５°とした場合を示す。図６Ｃに、遅相軸４０ｓ及び４１ｓの方位を、それぞれ１３５°及び４５°とした場合を示す。図６Ｄに、遅相軸４０ｓ及び４１ｓの方位を共に１３５°とした場合を示す。図６Ｅに、遅相軸４０ｓ及び４１ｓの方位を、それぞれ０°及び９０°とした場合を示す。

図７Ａ〜図７Ｃの曲線ａ〜ｅは、それぞれ図６Ａ〜図６Ｅの構成の透過率を示す。液晶セルのリタデーションΔｎｄがいずれの場合でも、図６Ｃに示したように、第１の光学フィルム４０の遅相軸４０ｓの方位を１３５°、第２の光学フィルム４１の遅相軸４１ｓの方位を４５°に設定した場合に、最も良好な視角特性が得られている。また、図６Ｅに示したように、第１の光学フィルム４０の遅相軸４０ｓの方位を０°、第２の光学フィルム４１の遅相軸４１ｓの方位を９０°に設定した場合に、比較的良好な視角特性が得られている。

また、図６Ｄに示したように、第１の光学フィルム４０の遅相軸４０ｓ及び第２の光学フィルム４１の遅相軸４１ｓの方位を、共に１３５°に設定した場合には、液晶セル２０のリタデーションΔｎｄによらず視角特性が最も悪い。図６Ａに示したように、第１の光学フィルム４０の遅相軸４０ｓ及び第２の光学フィルム４１の遅相軸４１ｓの方位を、共に４５°に設定した場合には、視角特性が比較的悪い。

上述の評価結果から、第１の光学フィルム４０の遅相軸４０ｓと第２の光学フィルム４１の遅相軸４１ｓとを直交させることが好ましいと予測できる。

そこで、第１の光学フィルム４０の遅相軸４０ｓと第２の光学フィルム４１の遅相軸４１ｓとが直交状態を維持したまま、遅相軸の方位を変化させた場合の視角特性をシミュレーションにより求めた。

図８Ａ〜図８Ｃに、シミュレーションの結果を示す。横軸は、第１の光学フィルム４０の遅相軸４０ｓの方位を単位「°」で表し、縦軸は透過率を単位「％」で表す。図８Ａ〜図８Ｃは、それぞれ液晶セル２０のリタデーションΔｎｄを３２０ｎｍ、６００ｎｍ、及び７６５ｎｍとした場合の評価結果を示す。いずれの場合にも、視線を傾ける方位を０°とし、視角を５０°とした。

第１の光学フィルム４０の厚さ方向のリタデーションＲｔｈ５及び第２の光学フィルム４１の厚さ方向のリタデーションＲｔｈ６は、図７Ａ〜図７Ｃのシミュレーションと同様に、液晶セルのリタデーションΔｎｄが３２０ｎｍ、６００ｎｍ、及び７６５ｎｍの場合に、それぞれ１１０ｎｍ、２２０ｎｍ、及び３００ｎｍとした。第１の光学フィルム４０の面内リタデーションＲｅ５及び第２の光学フィルム４１の面内リタデーションＲｅ６は同一とし、３０ｎｍ〜１４０ｎｍの範囲内で変化させて透過率を求めた。

遅相軸４０ｓの方位を０°（１８０°）及び９０°にすると、透過率が面内リタデーションＲｅ５及びＲｅ６に依存しなくなる。このシミュレーション結果は、第１の光学フィルム４０と第２の光学フィルム４１との面内リタデーションが相殺され、厚さ方向のリタデーションのみが機能していることを示唆している。すなわち、第１の光学フィルム４０と第２の光学フィルム４１との組が、Ｃプレートと同じ機能を有していると考えられる。

第１の光学フィルム４０の遅相軸４０ｓの方位が９０°〜１８０°の範囲内のとき、すなわち表側偏光板３０の吸収軸３２ａと遅相軸４０ｓとのなす角度が４５°以下のとき、透過率が相対的に低くなっている。従って、高いコントラストを得るためには、表側偏光板３０の吸収軸３２ａと遅相軸４０ｓとのなす角度を４５°以下にすることが好ましい。この好適な条件は、液晶セル２０のリタデーションΔｎｄが３００ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲であり、光学フィルム４０、４１の各々の面内リタデーションが３００ｎｍ以下であり、厚さ方向のリタデーションが５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内のときに適用可能である。

第１の光学フィルム４０及び第２の光学フィルム４１の面内リタデーションＲｅ５及びＲｅ６が３０ｎｍ〜７０ｎｍの範囲内である場合、第１の光学フィルム４０の遅相軸４０ｓの方位を９０°〜１８０°の範囲内（すなわち表側偏光板３０の吸収軸３２ａと遅相軸４０ｓとのなす角度が４５°以下のとき）において、透過率が低くなる傾向を示す。特に、遅相軸４０ｓの方位が１３５°近傍のときに、透過率が最も低くなる。光学フィルム４０及び４１の厚さ方向のリタデーションＲｔｈ５、Ｒｔｈ６が１１０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内で、上記好適条件が適用されることが確かめられた。

第１の光学フィルム４０及び第２の光学フィルム４１の面内リタデーションＲｅ５及びＲｅ６が１００ｎｍ〜１４０ｎｍの範囲内である場合には、遅相軸４０ｓの方位が１３５°近傍のときに透過率が極大値を示し、遅相軸４０ｓの方位が９０°〜１３５°の間、及び１３５°〜１８０°の間において極小値を示す。第１の光学フィルム４０の遅相軸４０ｓの方位が９０°〜１２０°の範囲内、または１５０°〜１８０°の範囲内（すなわち、表側偏光板３０の吸収軸３２ａと遅相軸４０ｓとのなす角度が１５°以上４５°以下のとき）において、透過率が低くなる傾向を示す。また、遅相軸４０ｓの方位を１６０°〜１７５°の範囲内に設定するとより低い透過率が得られる。光学フィルム４０及び４１の厚さ方向のリタデーションＲｔｈ５、Ｒｔｈ６が１１０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内で、上記好適条件が適用されることが確かめられた。なお、光学フィルム４０及び４１の面内リタデーションＴｅ５、Ｒｅ６が１４０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内においても、上記好適条件が適用可能である。

一般に、偏光板の吸収軸に平行な方位に傾斜した視線で液晶表示素子を観察する場合には、吸収軸に対して４５°の方位（上記第１の実施例では右側及び左側）に傾斜した視線で観察する場合よりも良好な視角特性が得られる。図８Ａ〜図８Ｃを参照して説明した好ましい条件においては、左右方向に傾けた場合にも、偏光板の吸収軸に平行な方位に傾けたときに得られる良好な視角特性が得られていると推測される。

図７Ａ〜図８Ｃでは、２枚の光学フィルム４０及び４１の光学特性が等しい場合を示した。次に、両者の面内リタデーションが異なる場合について説明する。

図９に、第１の光学フィルム４０の面内リタデーションＲｅ５を３０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲内で変化させたときの透過率の視角依存性のシミュレーション結果を示す。横軸は、液晶表示素子を観察する視角を単位「°」で表し、縦軸は透過率を単位「％」で表す。液晶セル２０のリタデーションΔｎｄは６００ｎｍとし、第１の光学フィルム４０及び第２の光学フィルム４１の厚さ方向のリタデーションＲｔｈ５及びＲｔｈ６は、共に２２０ｎｍとした。第２の光学フィルム４１の面内リタデーションＲｅ６は５０ｎｍとした。第１の光学フィルム４０の遅相軸４０ｓの方位は１３５°とし、第２の光学フィルム４１の遅相軸４１ｓの方位は４５°、すなわち図６Ｃの構成とした。

第１の光学フィルム４０の面内リタデーションＲｅ５と、第２の光学フィルム４１の面内リタデーションＲｅ６との差が大きい場合には、１０°〜２０°程度の比較的浅い視角から透過率の上昇が見られる。第１の光学フィルム４０の面内リタデーションＲｅ５が第２の光学フィルム４１の面内リタデーションＲｅ６と等しい場合、２０°の視角から透過率が上昇し始めるが、上昇の程度は小さく、視角が３０°を超えると、透過率は低下し始める。第１の光学フィルム４０の面内リタデーションＲｅ５が６０ｎｍの場合、視角４０°まで透過率は上昇しない。

光学フィルム４０、４１の各々の面内リタデーションＲｅ５、Ｒｅ６と、２枚の光学フィルム４０、４１の面内リタデーションの平均値との差が１０ｎｍ以下である場合に、視角特性の悪化の度合いが小さい。

上記第１の実施例では、第１及び第２の光学フィルム４０及び４１に、負の二軸フィルムを用いたが、負の二軸フィルムに代えて、正のＡプレートを用いてもよい。

黒表示時における液晶セル２０の厚さ方向の正のリタデーションを補償する観点から、第１の光学フィルム４０の厚さ方向のリタデーションＲｔｈ５と、第２の光学フィルム４１の厚さ方向のリタデーションＲｔｈ６との合計が、液晶セル２０のリタデーションΔｎｄの０．５倍〜１倍の範囲内になるようにすることが好ましい。

実際の液晶表示素子に適用する場合には、部品種類の削減の観点から、第１の光学フィルム４０及び第２の光学フィルム４１に、同一の光学異方性を持つものを採用することが好ましい。

シミュレーション結果の正当性を確認するために、実際に、図５に示した構造の液晶表示素子を作製し、視角特性を評価した。

第１の試料は、液晶セル２０のリタデーションΔｎｄが６０８ｎｍ、第１の光学フィルム４０及び第２の光学フィルム４１の面内リタデーションＲｅ５及びＲｅ６が、共に５０ｎｍ、厚さ方向のリタデーションＲｔｈ５及びＲｔｈ６が、共に２２０ｎｍの液晶表示素子である。第１の光学フィルム４０の遅相軸４０ｓの方位を１３５°、第２の光学フィルム４１の遅相軸４１ｓの方位を４５°とした。この試料は、図７Ｂ及び図７Ｃの曲線ｃの試料に対応する。

電圧無印加時において、左右方向に視線を傾けたとき、視角５０°までは、光抜けがほとんど無い良好な黒状態が得られた。さらに視角を大きくすると、光抜けが観察され、シミュレーション結果と同様の傾向が得られた。

第２の試料は、液晶セル２０のリタデーションΔｎｄが４３０ｎｍ、第１の光学フィルム４０及び第２の光学フィルム４１の面内リタデーションＲｅ５及びＲｅ６が、共に１２０ｎｍ、厚さ方向のリタデーションＲｔｈ５及びＲｔｈ６が、共に１６０ｎｍの液晶表示素子である。

第１の光学フィルム４０の遅相軸４０ｓの方位を９０°とし、第２の光学フィルム４１の遅相軸４１ｓの方位を０°に設定したところ、左右方向において視角２５°までは、光抜けがほとんどない良好な黒状態が得られた。２枚の光学フィルム４０及び４１の遅相軸が直交する条件を維持したまま、第１の光学フィルム４０及び第２の光学フィルム４１を回転させながら、方位角０°及び１８０°（すなわち左右方位）、視角５０°の視線で液晶表示素子を観察した。遅相軸４０ｓの方位を１６０°、遅相軸４１ｓの方位を７０°にしたときに、最も透過率が低くなる現象が確認された。この現象は、図８Ａ〜図８Ｃにおいて、面内リタデーションＲｅ５及びＲｅ６が１２０ｎｍのとき、遅相軸４０ｓの方位が１６０〜１７０°近傍で極小値を示すことに対応する。

図１０に、第２の実施例による液晶表示素子の概略模式図を示す。第１の実施例では、表側偏光板３０と液晶セル２０との間に、２枚の光学フィルムを配置したが、第２の実施例では、３枚の負の二軸フィルム、すなわち第１の光学フィルム４０、第２の光学フィルム４１、及び第３の光学フィルム４２が配置される。その他の構成は、第１の実施例による液晶表示素子と同一である。

図１１に、第２の実施例による液晶表示素子の視角特性のシミュレーション結果を示す。横軸は視角を単位「°」で表し、縦軸は透過率を単位「％」で表す。液晶セル２０のリタデーションΔｎｄは９００ｎｍとし、第１〜第３の光学フィルム４０〜４２の面内リタデーションＲｅ７〜Ｒｅ９は、すべて５０ｎｍとし、厚さ方向のリタデーションＲｔｈ７〜Ｒｔｈ９は、すべて２２０ｎｍとした。第１の光学フィルム４０の遅相軸４０ｓの方位Φ７を４５°とした。第２の光学フィルム４１の遅相軸４１ｓの方位Φ８、及び第３の光学フィルム４２の遅相軸４２ｓの方位Φ９の種々の組み合わせについて、透過率の視角依存性を算出した。

第２の光学フィルム４１の遅相軸４１ｓの方位Φ８を０°とし、第３の光学フィルム４２の遅相軸４２ｓの方位Φ９を９０°とした場合に、良好な視角特性が得られることがわかる。

そこで、第２の光学フィルム４１の遅相軸４１ｓと、第３の光学フィルム４２の遅相軸４２ｓとが直交する条件を維持したまま、遅相軸４１ｓの方位Φ８を変化させたときの透過率を求めた。

図１２にその結果を示す。横軸は、第２の光学フィルム４１の遅相軸４１ｓの方位Φ８を単位「°」で表し、縦軸は透過率を単位「％」で表す。視線の方位は０°、視角は５０°とした。遅相軸４１ｓの方位Φ８を９０°〜１８０°の範囲内とすると、０°〜９０°の範囲内とした場合に比べて透過率が低くなることがわかる。

遅相軸が相互に直交するように２枚の光学フィルムを正確に貼り合わせることは困難であり、遅相軸が直交関係からずれる場合がある。以下、第２の光学フィルム４１の遅相軸４１ｓと第３の光学フィルム４２の遅相軸４２ｓとが、直交関係からずれた場合の影響について考察する。

第２の光学フィルム４１の遅相軸４１ｓ及び第３の光学フィルム４２の遅相軸４２ｓを、表側及び裏側の偏光板の吸収軸３２ａ及び１１ａと平行または直交に配置する場合、第２及び第３の光学フィルム４１及び４２の光学異方性は観察されにくい。従って、遅相軸４１ｓと遅相軸４２ｓとが直交関係からずれても、その影響は小さい。例えば、正面観察時における透過率が顕著に変動することはない。

ところが、遅相軸４１ｓ及び遅相軸４２ｓが、偏光板の吸収軸３２ａ、１１ａに対して４５°の角度をなすように配置する場合、第２及び第３の光学フィルム４１、４２の光学異方性が顕著に観察される。このため、遅相軸４１ｓと遅相軸４２ｓとが直交関係から０．５°でもずれると、正面観察時における透過率が大きく上昇し、コントラストの低下を招く。

従って、第２の光学フィルム４１の遅相軸４１ｓ及び第３の光学フィルム４２の遅相軸４２ｓが、表側及び裏側の偏光板の吸収軸３２ａ及び１１ａと平行または直交になるように配置することが好ましい。

第１の光学フィルム４０の遅相軸４０ｓの方位Φ７を１３５°として、第２の光学フィルム４１の遅相軸４１ｓ及び第３の光学フィルム４２の遅相軸４２ｓの方位を変化させて同様のシミュレーションを行った。その結果、第１の光学フィルム４０の遅相軸４０ｓの方位Φ７を４５°にするほうが有利であることがわかった。このことから、表側偏光板３０の吸収軸３２ａと第１の光学フィルム４０の遅相軸４０ｓとを平行に配置する場合に比べて、両者のなす角度を４５°以上１３５°以下にすることが好ましいことがわかる。この好適な条件は、液晶セル２０のリタデーションΔｎｄが５５０ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲であり、光学フィルム４０〜４２の各々の面内リタデーションが３０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内であり、厚さ方向のリタデーションが５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内のときに適用可能である。

また、第１〜第３の光学フィルム４０〜４２の面内リタデーションＲｅ７〜Ｒｅ９の組み合わせを変化させて視角特性のシミュレーションを行った。その結果、面内リタデーションＲｅ７〜Ｒｅ９を全て等しくすることが好ましいことがわかった。また、面内リタデーションＲｅ７〜Ｒｅ９の各々と、それらの平均値との差が１０ｎｍ以下であれば、面内リタデーションＲｅ７〜Ｒｅ９が全て等しい場合と比べて遜色ない視角特性が得られることがわかった。

表側偏光板３０に最も近い位置に配置されている第１の光学フィルム４０の面内リタデーションＲｅ７は、３０ｎｍ〜８０ｎｍとすることが好ましい。厚さ方向のリタデーションに関しては、すべての光学フィルム４０〜４２で揃える必要はないが、３枚の光学フィルム４０〜４２の厚さ方向のリタデーションの合計、すなわちＲｔｈ７＋Ｒｔｈ８＋Ｒｔｈ９が、液晶層のリタデーションΔｎｄの０．５倍〜１倍であることが好ましい。

液晶層のリタデーションΔｎｄを約９００ｎｍとし、３枚の光学フィルム４０〜４２の面内リタデーションＲｅ７〜Ｒｅ９の各々を５０ｎｍとし、厚さ方向のリタデーションＲｔｈ７〜Ｒｔｈ９の各々を２２０ｎｍとし、遅相軸の方位Φ７〜Φ９を、それぞれ４５°、１３５°、４５°とした液晶表示素子を作製した。この液晶表示素子の視角特性を実際に測定したところ、上述のシミュレーション結果がほぼ再現されていることが確認できた。

図１３に、第３の実施例による液晶表示素子の概略模式図を示す。第２の実施例では、図１０に示したように、液晶セル２０と表側偏光板３０との間に３枚の光学フィルム４０〜４２を配置したが、第３の実施例では、第１の光学フィルム４０と表側偏光板３０との間に、負の二軸光学異方性を有する第４の光学フィルム４３を配置する。これにより、合計４枚の光学フィルム４０〜４３が配置されることになる。

液晶層のリタデーションΔｎｄを１１８０ｎｍとし、第１〜第４の光学フィルム４０〜４３の面内リタデーションＲｅ７〜Ｒｅ１０を全て５０ｎｍとし、厚さ方向のリタデーションＲｔｈ７〜Ｒｔｈ１０を全て２２０ｎｍとした。各光学フィルム４０〜４３の面内遅相軸の向きの種々の組み合わせについて視角特性のシミュレーションを行った。その結果、相互に隣接する２枚の光学フィルムの面内遅相軸を直交にし、表側偏光板３０に最も近い第４の光学フィルム４３の面内遅相軸４３ｓを、表側偏光板３０の吸収軸３２ａと平行に配置したとき、最も良好な視角特性が得られることがわかった。なお、第４の光学フィルム４３の面内遅相軸４３ｓと表側偏光板３０の吸収軸３２ａとのなす角度を４５°以下とした場合に、比較的良好な視角特性が得られることがわかった。

負の二軸フィルムをさらに積層することにより、液晶層のリタデーションΔｎｄを補償することが可能であるが、電圧印加時の表示状態を良好に維持するためには、液晶層のリタデーションΔｎｄを１５００ｎｍ以下にすることが好ましい。

次に、第３の実施例の変形例について説明する。上記第３の実施例では、図１３に示したように液晶セル２０と表側偏光板３０との間に４枚の光学フィルム４０〜４３を配置したが、変形例では、５枚の光学フィルムが配置される。液晶層のリタデーションΔｎｄを１４８０ｎｍとし、各光学フィルムの面内リタデーション及び厚さ方向のリタデーションは、第３の実施例の場合と同一にした。

各光学フィルムの面内遅相軸の向きの種々の組み合わせについて視角特性のシミュレーションを行った。その結果、相互に隣接する２枚の光学フィルムの面内遅相軸を直交にし、表側偏光板３０に最も近い光学フィルムの面内遅相軸を、表側偏光板３０の吸収軸３２ａと直交に配置したとき、最も良好な視角特性が得られることがわかった。なお、表側偏光板に最も近い光学フィルムの面内遅相軸と表側偏光板３０の吸収軸３２ａとのなす角度が４５°〜１３５°の場合に、比較的良好な視角特性が得られることがわかった。

上記シミュレーション結果から、液晶セルと表側偏光板との間に配置される正のＡプレートまたは負の二軸フィルムの枚数が偶数である場合には、表側偏光板に最も近い光学フィルムの面内遅相軸と、表側偏光板の吸収軸とのなす角度を−４５°〜４５°とすることが好ましく、０°とすることがより好ましいことがわかる。また、枚数が３枚以上の奇数である場合には、表側偏光板に最も近い光学フィルムの面内遅相軸と、表側偏光板の吸収軸とのなす角度を４５°〜１３５°とすることが好ましく、９０°とすることがより好ましいことがわかる。なお、いずれの場合にも、相互に隣接する光学フィルムの面内遅相軸は、相互に直交に配置することが好ましい。

図１４に、上記実施例による液晶表示素子を用いた表示装置のブロック図を示す。液晶表示素子８０が、相互に平行配置された複数のコモン電極８１と、それに直交配置された複数のセグメント電極８２とを含む。コモン電極８１とセグメント電極８２との交点が画素を構成する。

駆動回路９０が、セグメント出力回路９２とコモン出力回路９１とを含む。コモン出力回路９１はコモンバス９３を介してコモン電極８１にコモン電圧を供給する。セグメント出力回路９２は、セグメントバス９４を介してセグメント電極８２にセグメント電圧を供給する。駆動回路９０は、液晶表示素子８０をマルチプレックス駆動する。ある画素のコモン電極８１とセグメント電極８２とに印加される電位差がオフ電圧以下であれば、その画素が黒表示状態になり、オン電圧以上であれば、その画素が白表示状態になる。

液表表示素子８０を、上記実施例による構成とすることにより、黒表示状態の視角特性を改善することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

参考例による液晶表示素子の概略構成を示す模式図である。 参考例による液晶表示素子に用いられている光学フィルムの面内リタデーションと、透過率との関係をしめすグラフである。 他の参考例による液晶表示素子の概略構成を示す模式図である。 他の参考例による液晶表示素子に用いられている負の二軸フィルムの面内リタデーションと、透過率との関係をしめすグラフである。 第１の実施例による液晶表示素子の概略構成を示す模式図である。 図５に示した液晶表示素子に用いられている２枚の光学フィルムの面内遅相軸の配置例を示す模式図である。 図５に示した液晶表示素子の視角特性を示すグラフである。 図５に示した液晶表示素子の視角特性を示すグラフである。 図５に示した液晶表示素子の第１の光学フィルムの面内遅相軸の方位と透過率との関係を示すグラフである。 図５に示した液晶表示素子の第１の光学フィルムの面内遅相軸の方位と透過率との関係を示すグラフである。 図５に示した液晶表示素子の視角特性を示すグラフである。 第２の実施例による液晶表示素子の概略構成を示す模式図である。 図１０に示した液晶表示素子の視角特性を示すグラフである。 図１０に示した液晶表示素子の第２の光学フィルムの面内遅相軸の方位と透過率との関係を示すグラフである。 第３の実施例による液晶表示素子の概略構成を示す模式図である。 液晶表示装置のブロック図である。

符号の説明

１０ 裏側偏光板
１１ 偏光層
１１ａ 吸収軸
１２ ＴＡＣベースフィルム
１２ｓ 面内遅相軸
１５ 負の二軸フィルム
１５ｓ 面内遅相軸
２０ 液晶セル
２１、２２ 基板
２３ 液晶材料
２５ 負の二軸フィルム
２５ｓ 面内遅相軸
２６ Ｃプレート
２７ 負の二軸フィルム
２７ｓ 面内遅相軸
３０ 表側偏光板
３１ ＴＡＣベースフィルム
３１ｓ 面内遅相軸
３２ 偏光層
３２ａ 吸収軸
４０ 第１の光学フィルム
４０ｓ 面内遅相軸
４１ 第２の光学フィルム
４１ｓ 面内遅相軸
４２ 第３の光学フィルム
４２ｓ 面内遅相軸
８０ 液晶表示素子
８１ コモン電極
８２ セグメント電極
９０ 駆動回路
９１ コモン出力回路
９２ セグメント出力回路
９３ コモンバス
９４ セグメントバス

Claims (8)

1. 相互にクロスニコル配置された第１及び第２の偏光板と、
   前記第１の偏光板と第２の偏光板との間に配置され、電圧無印加時に垂直配向する液晶セルと、
   前記液晶セルと、前記第１の偏光板との間に配置された偶数枚の光学異方性を有する光学フィルムとを有し、
   前記液晶セルのリタデーションが３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であり、
   前記光学フィルムの各々の面内遅相軸の方位をｘ軸、それに直交する面内方位をｙ軸、フィルム面に垂直な方向をｚ軸とし、屈折率のｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸成分を、それぞれｎｘ、ｎｙ、ｎｚとしたとき、前記光学フィルムの各々は、ｎｘ＞ｎｙ≧ｎｚを満たし、面内リタデーションが３００ｎｍ以下であり、厚さ方向のリタデーションが５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、前記第１の偏光板に最も近い位置に配置された光学フィルムの面内遅相軸と、該第１の偏光板の吸収軸とのなす角度が４５°以下であり、相互に隣接する光学フィルムの遅相軸が相互に直交する液晶表示装置。
2. 前記光学フィルムの面内リタデーションが３０ｎｍ以上７０ｎｍ以下であり、厚さ方向のリタデーションが１１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記光学フィルムの面内リタデーションが１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、厚さ方向のリタデーションが１１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、前記第１の偏光板に最も近い位置に配置された光学フィルムの面内遅相軸と、該第１の偏光板の吸収軸とのなす角度が１５°以上４５°以下である請求項１に記載の液晶表示装置。
4. 相互にクロスニコル配置された第１及び第２の偏光板と、
   前記第１の偏光板と第２の偏光板との間に配置され、電圧無印加時に垂直配向する液晶セルと、
   前記液晶セルと、前記第１の偏光板との間に配置された３枚以上で奇数枚の光学異方性を有する光学フィルムとを有し、
   前記液晶セルのリタデーションが５５０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であり、
   前記光学フィルムの各々の面内遅相軸の方位をｘ軸、それに直交する面内方位をｙ軸、フィルム面に垂直な方向をｚ軸とし、屈折率のｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸成分を、それぞれｎｘ、ｎｙ、ｎｚとしたとき、前記光学フィルムの各々は、ｎｘ＞ｎｙ≧ｎｚを満たし、面内リタデーションが３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、厚さ方向のリタデーションが５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、前記第１の偏光板に最も近い位置に配置された光学フィルムの面内遅相軸と、該第１の偏光板の吸収軸とのなす角度が４５°以上１３５°以下であり、相互に隣接する光学フィルムの遅相軸が相互に直交する液晶表示装置。
5. 前記複数の光学フィルムの各々の面内リタデーションと、前記複数の光学フィルムの面内リタデーションの平均値との差は、１０ｎｍ以下である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
6. 前記複数の光学フィルムは、同一の厚さ、及び同一の屈折率異方性を有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
7. 前記複数の光学フィルムの厚さ方向のリタデーションの合計が、前記液晶セルのリタデーションの０．５倍以上１倍以下である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
8. さらに、前記液晶セルをマルチプレックス駆動する駆動回路を有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の液晶表示装置。

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