JP2010164955A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光拡散層と指向性バックライトと光学補償層とを備えた液晶表示装置が従来から知られている。光学補償層としては、ディスコチック液晶を傾斜配向させた位相差フィルムが用いられている。しかし従来のこの種の液晶表示装置は、コントラスト比が低いという問題があった。
【解決手段】 法線方向に指向性を有するバックライト１２と、配向角斑の小さい光学補償層１７とを併用することにより、コントラスト比の高い液晶表示装置１０が得られる。配向角斑の小さい光学補償層１７として延伸フィルムが適している。
【選択図】 図１

Description

本発明は液晶表示装置、特に、光拡散層と指向性バックライトと光学補償層とを備えた液晶表示装置に関する。

光拡散層と指向性バックライトと光学補償層とを備えた液晶表示装置が従来から知られている（例えば特許文献１）。上記の光学補償層としては、ディスコチック液晶を傾斜配向させた位相差フィルム（以下、ディスコチック液晶フィルム）が用いられている。しかし従来のこの種の液晶表示装置は、コントラスト比が低いという問題があった。

特開平１１−２４０６６号公報

ディスコチック液晶フィルムからなる光学補償層を用いた従来の液晶表示装置は、コントラスト比が低いという問題点がある。本発明の目的はこの問題点を解決し、従来よりもコントラスト比の高い液晶表示装置を実現することである。

捩れネマチック液晶セル（以下、ＴＮ液晶セル）用の光学補償層としては、傾斜配向していない延伸フィルムを用いるよりも、傾斜配向したディスコチック液晶フィルムを用いた方がコントラスト比が高い、というのが従来の知見であった。

本発明者らは、より画像品質の高い液晶表示装置を得るべく鋭意検討した結果、法線方向に指向性を有するバックライトと、配向角斑の小さい光学補償層とを併用することにより、コントラスト比の高い液晶表示装置が得られることを見出した。

本発明者らの分析によれば、ディスコチック液晶フィルムは傾斜配向しているため光学補償能に優れるが、配向角斑が大きいという欠点がある。配向角斑は配向角の最大値と最小値の差である。このような配向角斑は液晶固有の「ゆらぎ」に起因するものと考えられる。ディスコチック液晶フィルムを拡散性バックライトと併用した場合は、拡散光の影響で配向角斑が大きいことが顕在化しないが、指向性バックライトと併用した場合は、配向角斑が大きいことが影響して、コントラスト比が低くなると考えられる。

延伸フィルムは配向角斑が小さい（配向均一性に優れる）が、傾斜配向していないので、斜め方向の光に対する光学補償能が低いという欠点がある。延伸フィルムを拡散性バックライトと併用した場合は、拡散光の一部を光学補償できずコントラスト比が低くなる。しかし、斜め方向の光の少ない指向性バックライトと併用した場合は、斜め方向の光に対する光学補償能が低いことが顕在化せず、優れた配向均一性によってコントラスト比が高くなると考えられる。

本発明の要旨は次のとおりである。
（１）本発明の液晶表示装置は、光拡散層と、出射光がほぼ法線方向に指向性を有する指向性バックライトと、光拡散層と指向性バックライトとの間に配置された液晶パネルとを備えた液晶表示装置である。液晶パネルは、捩れネマチック液晶セルと、捩れネマチック液晶セルを狭持する一対の偏光板と、少なくとも一方の偏光板と捩れネマチック液晶セルとの間に配置された光学補償層とを有する。本発明の液晶表示装置は、光学補償層が延伸フィルムからなることを特徴とする。
（２）本発明の液晶表示装置は、光学補償層の面内における配向角の最大値と最小値との差が１°以下であることを特徴とする。
（３）本発明の液晶表示装置における光学補償層は、ｎｘを遅相軸方向の屈折率、ｎｙを遅相軸と直交する方向（進相軸方向）の屈折率、ｎｚを厚み方向の屈折率としたとき、ｎｘ＞ｎｙ＞ｎｚの関係を満足することを特徴とする。
（４）本発明の液晶表示装置は、光学補償層が１枚の延伸フィルムからなることを特徴とする。
（５）本発明の液晶表示装置は、光学補償層が指向性バックライト側偏光板と捩れネマチック液晶セルとの間のみに配置されたことを特徴とする。
（６）本発明の液晶表示装置は、指向性バックライトから出射される光の輝度半値全幅が、上下および左右方向において、２°〜２０°であることを特徴とする。
（７）本発明の液晶表示装置は、指向性バックライトの輝度の最大となる方向が、法線方向から下方向に１°〜１０°傾いたものであることを特徴とする。
（８）本発明の液晶表示装置は、光拡散層が、複数の透光性微粒子を分散状態で含む透光性樹脂層からなることを特徴とする。
（９）本発明の液晶表示装置は、光拡散層の光の直進透過率が０．１％以下であることを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、光学補償層として高価なディスコチック液晶フィルムを用いなくても、高いコントラスト比を得ることができる。

本発明の液晶表示装置の模式図 輝度半値全幅の説明図 指向性バックライトの模式図 拡散性バックライトの模式図

［液晶表示装置］
図１に示すように、本発明の液晶表示装置１０は、光拡散層１１と、主面の法線方向に指向性を有する光を出射するバックライト１２と、光拡散層１１とバックライト１２との間に配置された液晶パネル１３とを備える。液晶パネル１３は、ＴＮ液晶セル１４と、ＴＮ液晶セル１４を狭持する一対の偏光板１５、１６と、少なくとも一方の偏光板１６とＴＮ液晶セル１４との間に配置された光学補償層１７とを有する。光学補償層１７は、フィルム面内における配向角の最大値と最小値との差が１°以下の１枚の延伸フィルムからなる。

［光拡散層］
本発明に用いられる光拡散層１１は、好ましくは、複数の透光性微粒子を分散状態で含む透光性樹脂層からなる。上記の透光性樹脂層は、例えば、粘着剤や紫外線硬化樹脂である。

光拡散層１１の全光線透過率は、好ましくは、８０％以上であり、さらに好ましくは、８５％〜９５％である。光拡散層１１の光の直進透過率は、好ましくは、０．１％以下であり、さらに好ましくは、０．０１％以下である。上記の光拡散層の拡散半値全幅は、上下方向において、好ましくは、３０°〜８０°である。左右方向の拡散半値全幅も上記の範囲を満足することが好ましい。本明細書において、拡散半値全幅とは、拡散光の最大輝度の半分の値をとる角度幅をいう。

上記の特性を有する光拡散層１１は、例えば、透光性微粒子の屈折率をｎ_１、透光性樹脂層の屈折率をｎ_２としたとき、｜ｎ_１−ｎ_２｜が０．０１〜０．１となるように設計し、光拡散層１１の厚みを５μｍ〜３００μｍとなるように設計することで得ることができる。このような光拡散層１１は、同じ視野角でも直進透過光の強度を適度に弱くすることができるため、ＴＮ液晶セル１４の視認側に配置することによって、広視野角でかつ低グレアの液晶表示装置１０が得られる。

［指向性バックライト］
本発明に用いられるバックライト１２は、出射光がほぼ法線方向に指向性を有するバックライト１２である（以下、指向性バックライト１２という）。「ほぼ法線方向に指向性を有する」とは、出射される光線が主面のほぼ法線方向に概ね揃っていることをいう。指向性バックライト１２から出射される光の輝度半値全幅は、上下方向において、好ましくは、２°〜２０°であり、さらに好ましくは、２°〜１０°である。左右方向における輝度半値全幅も、上記範囲を満足することが好ましい。本明細書において、輝度半値全幅とは、図２に示すように、最大輝度の半分の値をとる角度幅をいう。

指向性バックライト１２は、配向角斑の小さい光学補償層１７と併用することで、液晶表示装置１０のコントラスト比を飛躍的に高めることができる。指向性バックライト１２の輝度半値全幅は、例えば、拡散シートや集光シートの枚数、形状を適宜調整することにより、増加ないし減少させることができる。

指向性バックライト１２は、輝度の最大となる方向が、法線方向から下方向に１°〜１０°傾いたものであることが好ましい。ＴＮ液晶セル１４へ入射した光は、法線方向に対して下方向に２°〜６°傾いて出射する傾向がある。そのため、指向性バックライト１２の輝度の最大となる方向を、あらかじめこの方向とほぼ一致させておくことによって、ＴＮ液晶セル１４からより多くの光を出射させることができ、結果として、液晶表示装置１０のコントラスト比を高くすることができる。例えば、本発明の液晶表示装置１０のコントラスト比は、指向性バックライト１２の輝度の最大となる方向を下方向に４°傾けると、０°（法線方向）である場合に比べて、約１．６倍高くできる。

［液晶パネル］
本発明に用いられる液晶パネル１３は、ＴＮ液晶セル１４と、ＴＮ液晶セル１４を狭持する一対の偏光板１５、１６と、少なくとも一方の偏光板１６とＴＮ液晶セル１４との間に配置された光学補償層１７とを有する。光学補償層１７は、ＴＮ液晶セル１４の片側または両側に配置される。

光学補償層１７は、好ましくは、バックライト１２側の偏光板１６とＴＮ液晶セル１４との間にのみ配置される。ＴＮ液晶セル１４に用いられるカラーフィルタや薄膜トランジスタ素子には、偏光を解消する要素がある。一般的に、光学補償層１７は偏光純度のより高い光を入射させたほうが、より所望の効果が得られる。このため光学補償層１７が配置される位置は、ＴＮ液晶セル１４の指向性バックライト１２側がよい。

本発明の液晶表示装置１０のコントラスト比は、光学補償層１７をＴＮ液晶セル１４の指向性バックライト１２側のみに配置したとき、ＴＮ液晶セル１４の両側に配置したときに比べて、約１．２倍高くできる。

［ＴＮ液晶セル］
本発明に用いられるＴＮ液晶セル１４は、通常、二枚の基板と、基板間に狭持された液晶層とを備える。液晶層は、電圧が印加されていない状態で９０°捩れた状態をとり、電圧が印加された状態で垂直（法線）方向に配向する。代表的には、一方の基板にはカラーフィルタ、対向電極、配向膜が形成され、他方の基板には液晶駆動電極、配線パターン、薄膜トランジスタ素子、配向膜が形成される。

［偏光板］
本発明に用いられる偏光板１５、１６は、可視光領域（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）のいずれかの波長のうちで、振動面が特定の方向の光を透過させるものである。偏光板１５、１６は、代表的には、偏光膜と、偏光膜の片側または両側を支持する偏光膜保護フィルムとを含む積層フィルムである。偏光膜は、例えば、ポリビニルアルコールフィルムを延伸し、ヨウ素や染料で染色したものである。偏光板１５、１６の厚みは、通常、１０μｍ〜１００μｍである。

［光学補償層］
本発明に用いられる光学補償層１７は、好ましくは、フィルム面内における配向角の最大値と最小値との差が１°以下、更に好ましくは、０．５°以下である一枚の延伸フィルムからなる。「配向角」は、測定点における遅相軸方位の基準方位からのずれ角をいう。従来の液晶表示装置においては、光学補償層は液晶フィルムと複屈折基材の積層体であったが、上記のような配向角の均一性に優れた延伸フィルムを用いれば、光学補償層１７を一枚の延伸フィルムで構成しても、液晶表示装置１０のコントラスト比を高くすることができる。

上記のような、配向角の均一性に優れた光学補償層１７は、液晶フィルムで実現することは難しいが、延伸フィルムを用いれば得られる。「延伸フィルム」とは、未延伸フィルムに張力を加えて延伸し、分子配向を高めたものをいう。延伸法としては、一軸延伸法、テンター延伸法、二軸延伸法などが利用できる。用いるフィルムの延伸性や延伸機の精度にもよるが、上記の方法によれば、フィルム面内における配向角の最大値と最小値との差を、０．１°程度に制御できる。

延伸フィルムを形成する材料としては、透明性、延伸性に優れたものであれば特に制限はなく、例えば、シクロオレフィンポリマー、ポリカーボネートなどが挙げられる。光学補償層１７（延伸フィルム）の厚みは、通常、１０μｍ〜１００μｍである。

上記の光学補償層１７（延伸フィルム）は、屈折率楕円体がｎｘ＞ｎｙ＞ｎｚの関係を満足することが好ましい。なおｎｘは遅相軸方向の屈折率を表わし、ｎｙは遅相軸と直交する方向（進相軸方向）の屈折率を表わし、ｎｚは厚み方向の屈折率を現わす。

光学補償層１７の面内の位相差値Ｒｅ［５９０］は、好ましくは、３０ｎｍ〜１００ｎｍである。面内の位相差値Ｒｅ［５９０］を上記の範囲とすることにより、適切な光学補償が行なわれ、コントラスト比の高い液晶表示装置を得ることができる。光学補償層（延伸フィルム）の面内の位相差値Ｒｅ［５９０］が３０ｎｍ未満である場合は、分子配向の度合いが小さいため、フィルム面内における配向角の最大値と最小値との差が大きくなる場合がある。

光学補償層１７の厚み方向の位相差値Ｒｔｈ［５９０］は、電圧印加時のＴＮ液晶セル１４の位相差値Ｒｔｈ［５９０］に応じて、適宜設定される。例えば、電圧印加時のＴＮ液晶セル１４の位相差値Ｒｔｈ［５９０］が−３００ｎｍである場合、光学補償層１７の厚み方向の位相差値Ｒｔｈ［５９０］は＋３００ｎｍ付近（例えば＋２００ｎｍ〜＋４００ｎｍ）に設定される。光学補償層１７がＴＮ液晶セル１４の両側に配置される場合には、光学補償層１７の厚み方向の位相差値Ｒｔｈ［５９０］は、一枚につき上記の半分（例えば＋１００ｎｍ〜＋２００ｎｍ）でよい。

本明細書において、面内の位相差値Ｒｅ［５９０］は、波長５９０ｎｍにおける面内の位相差をいい、Ｒｅ［５９０］＝（ｎｘ−ｎｙ）×ｄで表わされる。厚み方向の位相差値Ｒｔｈ［５９０］は、波長５９０ｎｍにおける厚み方向の位相差をいい、Ｒｔｈ［５９０］＝（ｎｘ−ｎｚ）×ｄで表わされる。ｄは光学補償層１７の厚みを表わし、単位はｎｍである。

［実施例１］
ＴＮ液晶セルを準備し、このＴＮ液晶セルの視認側に偏光板を積層し、バックライト側に二軸延伸フィルムからなる光学補償層および偏光板を順に積層して、液晶パネルを作製した。次に、液晶パネルの視認側に１０層の拡散粘着剤層からなる光拡散層を積層し、視認側の反対側に、法線方向に指向性を有するバックライトを配置して、液晶表示装置を作製した。この液晶表示装置の構成とコントラスト比を表１に示す。

実施例の液晶表示装置の構成は以下のとおりであった。
（１）ＴＮ液晶セル…市販のディスプレイモニター（ＢｅｎＱ社製ＦＰ９３ＶＷ）に搭載されているＴＮ液晶セルを取り出して使用した。
（２）視認側（前面）偏光板…日東電工社製ＮＰＦ−ＳＥＧ１４２３ＤＵを用いた。偏光板の吸収軸方向は、ＴＮ液晶セルの長辺方向に対して４５°になるように配置した。
（３）光学補償層…シクロオレフィンポリマーフィルムの二軸延伸フィルム（オプテス社製ゼオノアＺＦ１４−０５５２４０、厚み７０μｍ）を用いた。この二軸延伸フィルムは、波長５９０ｎｍにおける面内の位相差値が５５ｎｍであり、厚み方向の位相差値が２４０ｎｍであり、配向角の最大値と最小値との差が０．２°である。二軸延伸フィルムの遅相軸方向はＴＮ液晶セルの長辺方向に対して４５°になるように配置した。
（４）バックライト側（後面）偏光板…日東電工社製ＮＰＦ−ＴＩＧ１４６３ＤＵを用いた。偏光板の吸収軸方向は、ＴＮ液晶セルの長辺方向に対して１３５°になるように配置した。
（５）拡散粘着剤層…複数の透光性微粒子を分散状態で含む粘着剤層（日東電工社製Ｈ８０、厚み２３μｍ、拡散半値全幅６８°）を用いた。
（６）指向性バックライト…図３に指向性バックライト２０を示す。メタルハライドランプ２１（１００Ｗ）の前面にプロジェクションレンズ２２、スポット状スリット２３（２０ｍｍΦ）を設け、そこから投影される光が反射する位置にアルミ鏡面反射板２４を設け、その反射光が透過する位置にアクリル製のフレネルレンズ２５（対角３２インチ、焦点距離４０ｃｍ）を設けた。指向性バックライト２０は、出射光の輝度半値全幅が上下方向において３°であり、輝度の最大となる方向が法線方向から下方向へ４°傾いたものである。

［実施例２］
光学補償層として、ＴＮ液晶セルの片側に二軸延伸フィルムを配置する代わりに、ＴＮ液晶セルの両側に、シクロオレフィンポリマーフィルムの二軸延伸フィルム（オプテス社製ゼオノアＺＦ１４−０５５１２４、厚み７０μｍ）を配置した。これ以外は、実施例１と同様にして、液晶表示装置を作製した。この液晶表示装置の構成とコントラストを表１に示す。

実施例２で用いた二軸延伸フィルムは、波長５９０ｎｍにおける面内の位相差値Ｒｅ［５９０］が５５ｎｍであり、波長５９０ｎｍにおける厚み方向の位相差値Ｒｔｈ［５９０］が１２４ｎｍであり、配向角の最大値と最小値との差が０．２°である。

［比較例１］
光学補償層として、ＴＮ液晶セルの片側に配置した二軸延伸フィルムに代えて、ＴＮ液晶セルの両側にディスコチック液晶フィルム（富士フイルム社製ＷＶ−ＳＡ）を用いた。これ以外は、実施例１と同様にして液晶表示装置を作製した。この液晶表示装置の構成とコントラスト比を表１に示す。

［比較例２］
指向性バックライトに代えて、拡散性バックライトを用いた以外は、実施例１と同様にして液晶表示装置を作製した。この液晶表示装置の構成とコントラスト比を表１に示す。

図４に示すように、拡散性バックライト３０は、メタルハライドランプ３１（１００Ｗ）の前面にプロジェクションレンズ３２を設け、そこから投影される光が反射する位置にアルミ鏡面反射板３３を設け、その反射光が通過する位置にアクリル製のフレネルレンズ３４（対角３２インチ、焦点距離４０ｃｍ）を設け、さらにフレネルレンズ３４の前面に拡散シート３５を設けたものである。拡散性バックライト３０は、出射光の輝度半値全幅が上下方向において４３°であり、輝度の最大となる方向が法線方向から下方向へ４°傾いたものである。

［比較例３］
光学補償層として、ＴＮ液晶セルの片側に配置した二軸延伸フィルムに代えて、比較例１と同様にＴＮ液晶セルの両側にディスコチック液晶フィルム（富士フイルム社製ＷＶ−ＳＡ）を用い、指向性バックライトに代えて比較例２と同様に拡散性バックライトを用いた以外は、実施例１と同様にして液晶表示装置を作製した。この液晶表示装置の構成とコントラスト比を表１に示す。

表１中、「延伸」は二軸延伸フィルム、「液晶」はディスコチック液晶フィルムである。「配向角斑」は配向角の最大値と最小値の差である。バックライトにおいて「指向性」は輝度半値全幅が３°、「拡散性」は輝度半値全幅が４３°である。

［測定方法］
［コントラスト比］
液晶表示装置の画面に白画像および黒画像を表示させて、正面（画面法線）方向からそれぞれの輝度を、輝度計（トプコン社製ＳＲ ＵＬ−１）を用いて測定し、コントラスト比＝白表示の輝度÷黒表示の輝度、により算出した。

［バックライトの輝度半値全幅］
ＡＵＴＲＯＮＩＣ ＭＥＬＣＨＲＳ社製のコノスコープを用いて測定した。

［配向角、Ｒｅ［５９０］およびＲｔｈ［５９０］、拡散半値全幅］
配向角、Ｒｅ［５９０］およびＲｔｈ［５９０］は、自動複屈折測定装置（王子計測器社製ＫＯＢＲＡ−ＷＲ）を用いて測定した。配向角の最大値と最小値との差は、幅５０ｃｍ以上のサンプルを準備し、各測定点を１０ｃｍ離して、幅方向に５点測定して求めた。拡散半値全幅は、光拡散層の正面からレーザー光を照射し、光拡散層から出射される拡散光の輝度をゴニオフォトメーター（オプテック社製）で、１°おきに角度を変えて測定して求めた。

１０ 液晶表示装置
１１ 光拡散層
１２ 指向性バックライト
１３ 液晶パネル
１４ 液晶セル
１５ 偏光板
１６ 偏光板
１７ 光学補償層
２０ 指向性バックライト
２１ メタルハライドランプ
２２ プロジェクションレンズ
２３ スポット状スリット
２４ アルミ鏡面反射板
２５ フレネルレンズ
３０ 拡散性バックライト
３１ メタルハライドランプ
３２ プロジェクションレンズ
３３ アルミ鏡面反射板
３４ フレネルレンズ
３５ 拡散シート

Claims (9)

1. 光拡散層と、出射光がほぼ法線方向に指向性を有する指向性バックライトと、前記光拡散層と前記指向性バックライトとの間に配置された液晶パネルとを備えた液晶表示装置であって、
   前記液晶パネルは、捩れネマチック液晶セルと、前記捩れネマチック液晶セルを狭持する一対の偏光板と、少なくとも一方の前記偏光板と前記捩れネマチック液晶セルとの間に配置された光学補償層とを有し、
   前記光学補償層が延伸フィルムからなることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記光学補償層の面内における配向角の最大値と最小値との差が１°以下であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記光学補償層は、ｎｘを遅相軸方向の屈折率、ｎｙを遅相軸と直交する方向（進相軸方向）の屈折率、ｎｚを厚み方向の屈折率としたとき、ｎｘ＞ｎｙ＞ｎｚの関係を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示装置。
4. 前記光学補償層が１枚の延伸フィルムからなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の液晶表示装置。
5. 前記光学補償層が前記指向性バックライト側偏光板と前記捩れネマチック液晶セルとの間のみに配置されたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の液晶表示装置。
6. 前記指向性バックライトから出射される光の輝度半値全幅が、上下および左右方向において、２°〜２０°であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の液晶表示装置。
7. 前記指向性バックライトの輝度の最大となる方向が、法線方向から下方向に１°〜１０°傾いたものであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の液晶表示装置。
8. 前記光拡散層が、複数の透光性微粒子を分散状態で含む透光性樹脂層からなることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の液晶表示装置。
9. 前記光拡散層の光の直進透過率が０．１％以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の液晶表示装置。

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