JP2014211457A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】開口率が高く、低消費電力な液晶表示装置を提供する。
【解決手段】液晶表示装置１は、第１電極１４と、第２電極１７と、第１電極１４と第２電極１７との間に配置され、電圧無印加状態において光学的に等方性であり電圧印加状態において光学的に異方性を生じる液晶層１５と、液晶層１５と対向配置され、第１端面４ａから入射した光Ｌを第１方向に伝播させ、液晶層１５と対向する第１主面４ｂから液晶層１５に向けて斜めに射出させる導光板４と、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、液晶表示装置に関する。

電気光学カー効果によりリタデーションが変化する液晶層を用いた液晶表示装置として、ブルー相モードの液晶表示装置が知られている。ブルー相モードは、電圧無印加状態で光学的に等方性であり、電圧印加状態で電界方向に光学的に異方性を生じる液晶モードである。ブルー相モードでは、液晶層に縦電界（液晶層厚方向と平行な電界）を印加すると、屈折率異方性は電界と平行な方向に生じるため、液晶層に垂直に入射するバックライトの光に影響を与えることができず、表示として成立しない。そのため、ブルー相モードを表示に応用する場合には、櫛歯状に設置した電極で液晶層に横電界（液晶層厚方向と直交する電界）を発生させ、液晶層厚方向と直交する面内で屈折率異方性が生じるように駆動させなければならない。

しかしながら、櫛歯状電極による駆動は、電極の真上や液晶層厚方向の一部に電界が加わらず、液晶分子が応答しない領域が生じるため、実効的な開口率が低下するという課題がある。電極の間隔を広げて開口率を高める方法も考えられるが、この場合、駆動電圧が電極の間隔に応じて高くなってしまうため、静電破壊や信号遅延などの影響により、ＴＦＴ駆動が困難になり、消費電力も大きくなるという課題がある。

そこで、特許文献１の画像表示装置では、縦電界で駆動するブルー相モードの液晶層に対して斜めに光を入射し、光の入射方向と屈折率異方性の生じる方向とが異なるようにしている。この方法によれば、液晶層に対して縦電界を加えても、液晶層を斜めに通過する光に対しては、複屈折を生じさせることができる。そのため、ブルー相モードを適用しながら、縦電界を用いて、開口率の高い、低消費電力な画像表示を実現することができる。

特開２００７−１０１９２２号公報

しかしながら、特許文献１の画像表示装置では、液晶ライトバルブと光源との間にフライアイレンズやロッドレンズなどの光学部材を配置して、液晶ライトバルブに対して斜めに光を入射させている。そのため、光源と液晶パネルとが近接して配置される直視型の液晶表示装置において同様の構成を採用することはできない。

本発明の目的は、開口率が高く、低消費電力な液晶表示装置を提供することにある。

本発明の液晶表示装置は、第１電極と、前記第１電極と対向する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加しない電圧無印加状態において光学的に等方性であり、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加した電圧印加状態において光学的に異方性を生じる液晶層と、前記液晶層と対向配置され、第１端面から入射した光を第１方向に伝播させ、前記液晶層と対向する第１主面から前記液晶層に向けて斜めに射出させる導光板と、を備えている。

前記導光板の第１主面から射出されて前記液晶層の内部を斜めに通過した光を他の色の光に変換する色変換層が、前記第１電極に対応して設けられ、前記色変換層は、前記液晶層の層厚方向から見て、前記第１電極よりも前記第１方向に張り出して形成されていてもよい。

前記第１電極が形成された第１基板と、前記第２電極が形成された第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に配置された前記液晶層と、前記第２電極を挟んで前記液晶層と反対側に設けられた前記色変換層とを備えた液晶パネルと、前記導光板を備え、前記液晶パネルに対して斜めに前記光を入射させるバックライトと、を備えていてもよい。

前記バックライトは、前記液晶パネルに対して５５°以上７０°以下の角度で入射する光の強度が最も大きくなるような配光特性を備えていてもよい。

前記液晶パネルは、前記液晶層と前記バックライトとの間に配置された第１偏光層と、前記液晶層を挟んで前記バックライトとは反対側に設けられた第２偏光層と、を備え、前記第１偏光層の透過軸と前記第２偏光層の透過軸とは互いに交差するように配置され、前記第１偏光層の透過軸と前記第２偏光層の透過軸は、前記第１方向に対して、それぞれ４５°未満の角度をなす方向に配置されていてもよい。

前記第１偏光層の透過軸と前記第２偏光層の透過軸とのなす角度は、７４°以上８２°以下であってもよい。

前記液晶層を通過した光の強度が最も強くなる方向が前記液晶層の層厚方向に近付くように、前記液晶層を通過した前記光の配光を制御する配光制御層を備えていてもよい。

電圧印加状態における前記液晶層の屈折率異方性をΔｎとし、前記液晶層の層厚をｄとしたときに、前記屈折率異方性Δｎと前記液晶層の層厚ｄとの積であるリタデーションΔｎ・ｄが、前記光の波長λ（前記光が特定波長に発光ピークを有する着色光である場合には、λは発光ピークのピーク波長であり、前記光が白色光であるときは、λは５５０ｎｍである）以上であってもよい。

前記バックライトは、前記導光板の第１端面に第１の光を入射させる第１光源と、前記導光板の第２端面に第２の光を入射させる第２光源と、を備え、前記導光板は、前記第１端面から入射した前記第１の光を前記第１方向に伝播させ、前記第１主面から前記液晶パネルに向けて斜めに射出するとともに、前記第２端面から入射した前記第２の光を前記第１方向とは反対の方向に伝播させ、前記第１主面から前記液晶パネルに向けて斜めに射出し、前記色変換層は、前記液晶層の層厚方向から見て、前記第１電極よりも前記第１方向および前記第１方向とは反対の方向に張り出して形成されていてもよい。

前記導光板は、前記第１の光および前記第２の光を透過する透明基板の内部に、前記第１の光および前記第２の光を散乱する散乱体が分散されて構成されていてもよい。

本発明によれば、開口率が高く、低消費電力な液晶表示装置を提供することができる。

第１実施形態の液晶表示装置の分解斜視図である。 液晶表示装置の断面図である。 光が液晶層を斜めに通過する際の光の光路長や複屈折の大きさを説明するための模式図である。 各種パラメーターを演算した結果を示す図である。 液晶層の層厚を７．５μｍ、１０μｍおよび１５μｍとしたときの電圧−透過率特性の入射角依存性を示す図である。 液晶層に印加する電圧を３０．８Ｖとし、液晶層の層厚を５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍとしたときの透過率の入射角依存性を示す図である。 第２実施形態の液晶表示装置の断面図である。 配光制御層を通過する前後の光の配光を示す図である。 第３実施形態の液晶表示装置における２つの偏光層の透過軸の配置を示す図である。 角度φ２が４５°となるように角度φ１を最適化したときの、第１偏光層に対する光の入射角θ１と角度φ１との関係を示す図である。 角度φ１を４５°および３８°とした場合の電圧−透過率特性を示す図である。 第４実施形態の液晶表示装置の断面図である。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の液晶表示装置の分解斜視図である。以下の説明では、データ線２１の延在方向をＹ方向、ゲート線２２の延在方向をＸ方向、Ｘ方向及びＹ方向と直交する方向をＺ方向として、各構成要素の形状や配置を説明する。

液晶表示装置１は、液晶パネル２と、液晶パネル２に斜めに光Ｌを入射させるバックライト３と、を備えている。

液晶パネル２は、第１基板１０と、第１基板１０と対向配置された第２基板１１と、第１基板１０の外面側に設けられた第１偏光層１２と、第２基板１１の外面側に設けられた第２偏光層１３と、を備えている。第１基板１０と第２基板１１とが対向する対向領域の周縁部には、矩形枠状のシール材１９が設けられている。第１基板１０、第２基板１１及びシール材１９によって囲まれた空間には、図示略のブルー相モードの液晶層が封入されている。

シール材１９の内側には、表示領域２Ａが設けられている。表示領域２Ａには、Ｘ方向に延びる複数のゲート線２１とＹ方向に延びる複数のデータ線２２とが第１基板１０上において平面視格子状に設けられている。ゲート線２１とデータ線２２との交差部には、赤色、緑色又は青色のいずれかの色に対応した表示要素が設けられている。第１基板１０上には、複数の表示要素がＸ方向及びＹ方向にマトリクス状に配置されており、該複数の表示要素によって表示領域２Ａが形成されている。

液晶パネル２の背面側には、バックライト３が設けられている。

バックライト３は、導光板４と、導光板４の第１端面４ａに配置された複数の光源５と、を備えている。導光板４は、第１端面４ａから入射した光源５からの光Ｌを第１端面４ａと対向する第２端面４ｃに向けてＹ方向に伝播させ、液晶パネル２と対向する第１主面４ｂから光Ｌを液晶パネル２に向けて斜めに射出する。

光源５は、例えば、白色光を発光する発光ダイオード（Light Emitting Diode；ＬＥＤ）である。複数の光源５は、発光面を導光板４の第１端面４ａと対向させた状態でＸ方向に配列されている。光源５は、ＬＥＤや有機ＥＬ（Electro Luminescence）素子のような点状光源でもよく、冷陰極蛍光ランプ（Cold Cathode Fluorescent Lamp；CCFL）のような線状光源でもよい。

図２は、液晶表示装置１の断面図である。

第１基板１０は、ガラスなどの透明な基板に、データ線やゲート線などの各種配線や、これらの配線に接続された薄膜トランジスタなどの駆動素子を含む回路層が形成されたものである。第１基板１０上には、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などの透明な導電膜からなる複数の第１電極１４が形成されている。第１電極１４は、各表示要素に対応して設けられた矩形の電極（画素電極）であり、各表示要素の配列に従って、Ｘ方向およびＹ方向に配列して設けられている。

第２基板１１は、ガラスなどの透明な基板からなる。第２基板１１上には、各表示要素に対応する開口部１６Ｈを備えた遮光層（ブラックマトリクス）１６ｂと、遮光層１６ｂの各開口部１６Ｈに配置された色変換層１６ａと、が形成されている。色変換層１６ａは、液晶層１５を透過した光Ｌを該光Ｌとは異なる色の光に変換して外部に射出する光学部材である。色変換層１６ａは、該色変換層１６ａに対応する表示要素の第１電極１４と略同じ大きさおよび形状で形成されている。本実施形態の場合、色変換層１６ａは、赤、緑又は青の顔料を樹脂の内部に分散させたカラーフィルタ層であるが、色変換層１６ａは、光Ｌにより励起されて赤、緑又は青の光を発光する蛍光体層であってもよい。色変換層１６ａとして蛍光体層を用いる場合には、第２偏光層１３が色変換層１６ａよりも液晶層側に配置されるインセル偏光層か、色変換層１６ａが第２偏光層１３よりも外側に配置される構造が望ましい。

色変換層１６ａは、Ｚ方向（液晶層の層厚方向）から見て、第１電極１４とずれた位置に配置されている。バックライト３から液晶パネル２に向けて斜めに射出される第１の光Ｌ１の射出方向をＺ方向と直交する平面に投影した方向を第１方向（本実施形態の場合、Ｙ方向）とすると、色変換層１６ａは、Ｚ方向から見て、第１電極１４よりも第１方向に張り出して形成されている。

本実施形態の場合、光Ｌは、Ｚ方向に対して＋Ｙ側に角度θ２だけ傾いた方向に進行する。そのため、第１電極１４を透過して液晶層１５の内部を斜めに進行する光Ｌが、該第１電極１４に対応する表示要素の色変換層１６ａに全て入射するように、色変換層１６ａの＋Ｙ側の端部は、第１電極１４の＋Ｙ側の端部よりもＺ方向から見て長さＷ１だけ＋Ｙ側にずれて配置され、色変換層１６ａの−Ｙ側の端部は、第１電極１４の−Ｙ側の端部よりもＺ方向から見て長さＷ２だけ−Ｙ側にずれて配置されている。

Ｗ１およびＷ２は、例えば、第１電極１４と色変換層１６ａとの間のＺ方向の間隔をｄ′とし、液晶層１５の内部を進行する光Ｌの進行方向とＺ方向とのなす角度をθ２とすると、Ｗ１＝Ｗ２＝ｄ′・ｔａｎθ２の関係を満たすように設計されている。

なお、図２では、色変換層１６ａと遮光層１６ｂとは互いに重ならないように配置されているが、色変換層１６ａと遮光層１６ｂとは部分的に重なるように配置されていてもよい。その場合、遮光層１６ｂと重なる部分の色変換層１６ａは、液晶層１５を通過した光Ｌを色変換して外部に射出しないので、色変換層として機能しない。本明細書において、「色変換層」とは、液晶層を通過した光を色変換して外部に射出する機能を有する層をいい、遮光層などによってこのような機能が阻害される部分は「色変換層」に含めない。よって、色変換層１６ａが遮光層１６ｂと部分的に重なる場合には、「色変換層１６ａが、Ｚ方向から見て、第１電極１４よりも第１方向に張り出して形成されている」とは、「遮光層１６ｂと重なる部分を除いた部分の色変換層１６ａが、Ｚ方向から見て、第１電極１４よりも第１方向に張り出して形成されている」ことを意味する。

色変換層１６ａおよび遮光層１６ｂ上には、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などの透明な導電膜からなる第２電極１７が形成されている。第２電極１７は、表示領域の全面に形成されており、複数の第１電極１４に対して共通の電極（共通電極）となっている。第２電極１７と第１電極１４との間には、画像信号に応じた電圧が印加される。第２電極１７と第１電極１４との間には、該電圧に起因して、液晶パネル２の法線方向（Ｚ方向）と概ね平行な方向の電界（縦電界）が発生し、この電界によって液晶層１５の配向状態が制御されるようになっている。

液晶層１５は、ブルー相を示す誘電異方性が正の液晶を含む。ブルー相は、らせん軸が異なる方向を向いた複数のらせん状の構造体が、立体的に周期構造をとっている液晶相である。ブルー相自体は光学的に等方的で、電圧を印加することでネマチック相に転位する。液晶層１５の配向は、第１電極１４と第２電極１７との間に発生する電界によって制御される。ブルー相の液晶層１５は、カー効果（Kerr効果）によって、電界方向の屈折率が電界強度の２乗に比例して変化する。ブルー相の液晶の応答時間は１０マイクロ秒前後であり、通常のネマチック液晶の応答時間（１０ミリ秒）よりも格段に短い。

図２において、符号１５ａは、液晶層１５の光学特性を屈折率楕円体で表したものである。図２において右側の第１電極１４に対応した表示要素は、第１電極１４と第２電極１７との間に電圧が印加された電圧印加状態であり、屈折率楕円体は、電界方向に伸張した細長い回転楕円体となっている。図２において左側の第１電極１４に対応した表示要素は、第１電極１４と第２電極１７との間に電圧が印加されていない電圧無印加状態であり、屈折率楕円体は、完全な球となっている。液晶層１５は、第１電極１４と第２電極１７との間に電圧を印加すると、電界の方向（Ｚ方向）を光軸として異方性、すなわち複屈折を生じる。

第１基板１０の液晶層１５側とは反対側の面には、第１偏光層１２が貼合されている。第２基板１１の液晶層１５側とは反対側の面には、第２偏光層１３が貼合されている。第１偏光層１２と第２偏光層１３は、互いの透過軸が直交するように、それぞれの透過軸がＹ軸に対して４５°をなす方向に配置されている。本実施形態の場合、第１偏光層１２は、第１基板１０のバックライト３側の面に貼合されているが、第１偏光層１２は、バックライト３と液晶層１５との間に配置されていれば、どの位置に配置されていてもよい。同様に、第２偏光層１３は、第２基板１１のバックライト３側とは反対側の面に貼合されているが、第２偏光層１３は、液晶層１５を挟んでバックライト３とは反対側に配置されていれば、どの位置に配置されていてもよい。

第１偏光層１２を挟んで液晶層１５とは反対側には、バックライト３の導光板４が配置されている。導光板４は、光Ｌを透過するアクリルなどの透明な板材からなる。導光板４の第１主面４ｂと対向する第２主面４ｄには、光の伝播方向Ｙと直交する方向（Ｘ方向）に延在する複数のプリズム構造体６が形成されている。

ＹＺ平面で切断した一つのプリズム構造体６の断面形状は三角形状である。プリズム構造体６は、導光板４の第１主面４ｂに対して直交する第１面６ａと、第１面６ａに対して鋭角をなす第２面６ｂと、を有している。プリズム構造体６の第２面６ｂは、導光板４の内部を伝播する光Ｌを反射させる反射面である。

導光板４の内部を第１端面４ａから第２端面４ｃに向けてＹ方向に伝播する光Ｌは、第１主面４ｂとプリズム構造体６の第２面６ｂとの間で反射を繰り返し、第１主面４ｂへの光Ｌの入射角が臨界角よりも小さくなった時点で外部空間に取り出され、液晶パネル２に向けて射出される。よって、導光板４の第１主面４ｂから射出される光Ｌは、第１主面４ｂの法線方向（Ｚ方向）に対して、光の伝播方向側（第１端面４ａから第２端面４ｃへ向かう側：＋Ｙ側）に所定の角度θ１だけ傾いた方向に指向性を持った光となる。角度θ１は、例えば６０°であり、６０°±１０°くらいの角度で光Ｌが第１主面４ｂから射出される。

液晶パネル２に対して角度θ１で入射した光Ｌは、液晶パネル２の内部で屈折して進行方向をＺ方向に近い方向に曲げられる。そして、液晶層１５の内部をＺ方向に対して＋Ｙ側（導光板４の第２端面４ｃ側）に角度θ２だけ傾いた方向に進行し、色変換層１６ａに入射する。このとき、色変換層１６ａは、第１電極１４よりもＹ方向にずれて配置されているため、第１電極１４を通過した光Ｌは、該第１電極１４と対応する表示要素の色変換層１６ａに全て入射する。よって、Ｙ方向に隣り合う表示要素同士の間で混色等の発生が抑制される。色変換層１６ａを通過して所定の色に着色された光Ｌ′は、第２偏光層１３を透過して外部空間に向けて角度θ３で射出される。

図３は、光Ｌが液晶層１５を斜めに通過する際の光Ｌの光路長や複屈折の大きさを説明するための模式図である。図３中、符号１５ａは、第１電極１４と第２電極１７との間に電圧を印加したときの液晶層１５の光学特性を屈折率楕円体で表したものである。

液晶層１５における常光の屈折率をｎｏ、異常光の屈折率をｎｅ、第１電極１４と第２電極１７との間のＺ方向の間隔（液晶層の層厚）をｄとすると、液晶層１５の内部をＺ方向に対して角度θ２だけ傾いた方向に進行する光Ｌに対する異常光の屈折率ｎｅ′、屈折率異方性Δｎ′および光路長ｄ′は、式（１）、式（２）および式（３）でそれぞれ表される。

光Ｌが液晶層１５を斜めに通過する場合、屈折率異方性Δｎ′は小さくなり、光路長ｄ′は大きくなる。光Ｌの一部は、第１電極１４の表面や第２電極１７の表面、或いは、基板と電極等との界面や基板の表面において反射し、ロスとなる（フレネル損失）。界面反射による光のロスは、光Ｌの進行方向がＺ方向に対して大きく傾いているほど大きい。

図４は、式（１）、式（２）および式（３）に基づいて、各種パラメーターを演算した結果を示す図である。図４中、θ１は、導光板から液晶パネルに対して斜めに入射する光Ｌの入射角度であり、「Δｎ比」は、Δｎ′／Δｎ（＝ｎｅ−ｎｏ）であり、「ｄ比」は、ｄ′／ｄであり、「Δｎｄ比」は、Δｎ′ｄ′／Δｎｄであり、「媒質透過率」は、界面反射せずに液晶パネルを透過した光の割合である。なお、液晶層の材料としては、屈折率がｎｅ＝１．５８０４７７、ｎｏ＝１．４８１６３７、Δｎ＝０．０９８８４の材料を用いた（メルク社製の「ＺＬＩ−４７９２」（商品名）に相当）。

図４に示すように、入射角θ１が大きくなると、液晶層中を進行する光の角度θ２が大きくなり、それに伴って、Δｄ比、Δｎ比およびΔｎｄ比が大きくなる。媒質透過率は、入射角θ１が大きくなるほど小さくなるが、これは界面反射の影響である。界面反射は入射角θ１が６０°を超えたあたりで急激に大きくなる。よって、Δｎｄ比を大きくし、媒質透過率を大きくするためには、入射角θ１は６０°ないし８０°に設定されることが望ましい。

この場合、Δｎｄ比は０．５前後の値となるため、液晶層の層厚は、横電界モードで液晶層の層厚方向に光を入射させる場合に比べて２倍の厚みが必要となる。すなわち、縦電界をかけた状態（電圧印加状態）で液晶層の層厚方向と直交する方向に進行する光が感じる液晶層の屈折率異方性をΔｎとし、液晶層の層厚をｄとしたときに、屈折率異方性Δｎと液晶層の層厚ｄとの積であるリタデーションΔｎ・ｄは、光の波長λ以上であることが望ましい。

ここで、光の波長λは、光が白色光である場合には５５０ｎｍとし、バックライト３から特定波長に発光ピークを有する着色光（例えば青色の光）を射出し、蛍光体によって形成された色変換層を励起して赤色、緑色、青色を表示する場合には、光の波長λは発光ピークのピーク波長とする。

例えば、液晶層の材料として、屈折率ｎｅ＝１．５８０４７７、屈折率ｎｏ＝１．４８１６３７、Δｎ＝０．０９８８４の材料を用いた場合、液晶層の層厚が７．３μｍのときにΔｎ′ｄ′が２７５ｎｍ（＝λ／２、λ＝５５０ｎｍ）となる。

図５（ａ）、図５（ｂ）および図５（ｃ）は、液晶層の層厚ｄをそれぞれ７．５μｍ、１０μｍおよび１５μｍとしたときの電圧−透過率特性の入射角依存性を示す図である。図５（ｄ）は、液晶層の層厚ｄを１２．８μｍとし、液晶層に対して垂直に光を入射し、横電界によって液晶層の配向を制御する場合の電圧−透過率特性を示す図である。

シミュレーションの条件は以下のとおりである。
・シミュレーションソフト：LCD Master 2d（Shintech社）
・LC: ZLI-4792（図５（ａ）ないし図５（ｄ）において共通）
・Initial director: Pretilt 3.0 [deg], Pre-twist 0.0 [deg], Twist 0.0 [deg]
・Electrode Voltage 070 [V]/ 0 [V]
・Boundary condition: Periodic
・Polarizer: 45 deg, Analyzer: 135 deg SEG-1224DU
・Light source: 550 nm
・Electrode line width / space width :4μｍ / 8μｍ （図５（ｄ）の横電界モデルのみ）

図５（ａ）ないし図５（ｃ）に示すように、液晶層に印加する電圧を大きくしていくと、屈折率異方性Δｎ′は増加する。図５（ａ）に示すように、液晶層の層厚ｄが７．５μｍでは層厚が不足しており、Δｎ′ｄ′が波長λの１／２に達しないため、電圧を増加しても透過率は飽和する。図５（ｂ）に示すように、液晶層の層厚ｄを１０μｍに増やすと層厚の不足が緩和され、透過率が改善する。入射角θ１が７５°や８０°のような広角では、透過率のピークを通り過ぎて減少する特性も見られる。図５（ｃ）に示すように、液晶層の層厚ｄが１５μｍでは層厚が十分であり、液晶層に印加する電圧に対して透過率のピークが存在する。

図５（ｄ）は同じ液晶材料を用いた横電界のモデルであるが、横電界のモデルでは、電圧が４０Ｖのときに透過率のピークが存在し、ピークの透過率は２５％である。これはＬ／Ｓ＝４μｍ／８μｍにより実質的に開口率がおよそ２／３になったためである。図５（ｂ）の縦電界のモデルでは、電圧が３０Ｖ付近で透過率が飽和し、最大の透過率（入射角θ１＝６０°）は３７％である。２つの偏光層をクロスニコル配置したときの透過率は約４０％であるので、３７％は光のロスが少ない理想的な状態であることを意味する。

図５（ｄ）の横電界のモデルが図５（ｂ）の縦電界のモデルに比べて飽和電圧が高くなるのは、電極の間隔を広げて開口率を高めたためであるが、電極の間隔を広げて開口率を高めても、電極の直上は液晶が配向せず透過率に寄与しないので、透過率は縦電界のモデルに比べて小さい。よって、縦電界のモデルのほうが低消費電力で開口率の高い表示が可能となる。

図６は、液晶層に印加する電圧を３０．８Ｖとし、液晶層の層厚ｄを５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍとしたときの透過率の入射角依存性を示す図である。３０．８Ｖは、図５（ａ）ないし図５（ｃ）において、透過率が飽和する電圧である。

液晶層の層厚ｄが５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍのいずれの場合も、入射角θ１が５５°ないし７０°の範囲で透過率のピークが存在する。入射角θ１が大きくなると透過率が小さくなるのは、界面反射の影響である。液晶層の層厚ｄが大きくなると透過率が大きくなり、層厚ｄが１０μｍ以上になると透過率は殆ど変化しない。図６によれば、入射角θ１は５５°ないし７０°の範囲、より好ましくは６０°ないし６５°の範囲に最適値が存在する。よって、バックライト３としては、液晶パネル２に対して５５°以上７０°以下の角度、より好ましくは６０°以上６５°以下の角度で入射する光の強度が最も強くなるような配光を備えたものを用いることが望ましい。これにより、透過率が高く明るい表示が可能となる。

本実施形態の液晶表示装置１においては、導光板４の内部をＹ方向に伝播し導光板４から液晶層１５に対して斜めに入射した光の感じる屈折率異方性を変化させ、これにより、液晶層１５の内部を斜めに進行し外部に射出される光の光量を制御する。そのため、ブルー相モードのように電圧無印加状態において光学的に等方性であり電圧印加状態において光学的に異方性を生じる液晶層を用いながら、縦電界を利用して低消費電力で開口率が高くかつ薄型の液晶表示装置を提供することができる。

［第２実施形態］
図７は、第２実施形態の液晶表示装置３０の断面図である。液晶表示装置３０において第１実施形態の液晶表示装置１と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

液晶表示装置３０において第１実施形態の液晶表示装置１と異なる点は、液晶パネル３１が、第２偏光層１３の外面側に、液晶層１５を通過した光Ｌの強度が最も強くなる方向が液晶パネル３１の法線方向（Ｚ方向）に近付くように光Ｌの配光を制御する配光制御層３２を備えている点である。なお、配光とは、どの方向にどれくらいの強度で光が射出されているかを示すものである。

配光制御層３２は、アクリル等の透明樹脂３３の内部に、透明樹脂３３とは屈折率の異なる例えば直径３μｍないし１０μｍ程度の大きさの微粒子からなる散乱体３４が分散された光拡散板である。本実施形態の場合、光Lとして白色光が用いられているたえ、散乱体３４としては、可視光領域（３８０ｎｍないし７５０ｎｍの波長領域）において散乱度の波長依存性が少ない粒子が用いられている。本実施形態では、配光制御層３２は、内部に散乱体３４が分散された光拡散板であるが、配光制御層３２は、これに限定されない。例えば、透明な板材の表面に溝を形成し、溝の表面で光を反射させることにより、光の配光を制御するものなどを配光制御層３２として用いてもよい。

図８は、配光制御層３２を通過する前後の光の配光を示す図である。図８において横軸は、配光制御層３２から射出された光がＹＺ平面内を進行するときの光の射出方向（Ｚ軸とのなす角度）を示しており、縦軸は、その射出方向に射出される光の強度を示している。

配光制御層３２を設けない場合には、符号Ｄ１で示したように、第２偏光層１３を通過した光Ｌは、第２偏光層１３と外部の空気層との界面で屈折して角度θ３の方向に射出される（図２参照）。一方、配光制御層３２を設けた場合には、符号Ｄ２で示したように、第２偏光層１３を通過した光Ｌは、散乱体３４で散乱され、Ｚ方向に近付く方向に光路を変更される。

本実施形態の液晶表示装置３０によれば、配光制御層３２により、液晶層１５を通過した光Ｌの強度が最も強くなる方向がＺ方向に近付くように光Ｌの配光が制御されるため、正面から見たときの画像の品質を向上することができる。

［第３実施形態］
図９は、第３実施形態の液晶表示装置における第１偏光層１２の透過軸１２ａおよび第２偏光層１３の透過軸１３ａの配置を示す図である。図９において第２実施形態の液晶表示装置１と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態の液晶表示装置において第１実施形態の液晶表示装置１と異なる点は、第１偏光層１２の透過軸１２ａと第２偏光層１３の透過軸１３ａの配置である。第１実施形態の液晶表示装置１では、第１偏光層１２の透過軸と第２偏光層１３の透過軸は、Ｚ方向から見て、Ｙ軸と平行な軸を挟んで±４５°の方向に設定されていた。これに対して、本実施形態の液晶表示装置では、第１偏光層１２の透過軸１２ａと第２偏光層１３の透過軸１３ａは、Ｚ方向から見て、Ｙ軸と平行な軸１２ｂ，１３ｂを挟んで±φ１（＜４５°）の方向に設定されている。

図９のように光Ｌが第１偏光層１２および第２偏光層１３を斜めに通過する場合、光Ｌの進行方向に沿って見たときの２つの偏光層１２，１３の透過軸１２ａ，１３ａのなす角度は、Ｚ方向から見たときの２つの偏光層１２，１３の透過軸１２ａ，１３ａのなす角度よりも大きくなる。例えば、第２偏光層１３に対する光Ｌの入射方向と直交する平面１８上に第２偏光層１３の透過軸１３ａを投影した軸を軸１８ａとし、平面１８上にＹ軸と平行な軸１３ｂを投影した軸を軸１８ｂとし、軸１８ａと軸１８ｂとのなす角度をφ２とすると、光Ｌの進行方向に沿って見たときの２つの偏光層１２，１３の透過軸１２ａ，１３ａのなす角度は２×φ２となる。φ２はφ１よりも大きいので、斜めに進行する光Ｌが感じる２つの偏光層１２，１３の透過軸１２ａ，１３ａのなす角度（２×φ２）は、Ｚ方向から見たときの２つの偏光層１２，１３の透過軸１２ａ，１３ａのなす角度（２×φ１）よりも大きくなる。

そのため、２つの偏光層１２，１３の透過軸１２ａ，１３ａを互いに直交させた状態で光Ｌを斜めに入射させると、光Ｌは９０°よりも大きい角度で交差する２つの偏光層１２，１３に入射したように感じ、電圧無印加状態において十分な黒が表示できなくなる場合がある。そこで、本実施形態では、２つの偏光層１２，１３の透過軸１２ａ，１３ａのなす角度（２×φ１）を９０°よりも小さくし、斜めに進行する光Ｌが感じる２つの偏光層１２，１３の透過軸１２ａ，１３ａのなす角度（２×φ２）が９０°となるようにしている。

図１０は、角度φ２が４５°となるように角度φ１を最適化したときの、第１偏光層１２に対する光Ｌの入射角θ１と角度φ１との関係を示す図である。シミュレーションの条件は、前述したものと同じである。

図６で説明したように、光Ｌの入射角θ１は、５５°ないし７０°の範囲に最適値が存在する。この角度範囲であれば、透過率が高く、明るい表示が可能となる。図１０によれば、入射角θ１が５５°ないし７０°の範囲では、角度φ１の最適値は、３７°ないし４１°の範囲となる。よって、２つの偏光層１２，１３の透過軸１２ａ，１３ａをＹ軸と平行な軸１２ｂ、１３ｂに対して３７°以上４１°以下の角度で配置し、２つの偏光層１２，１３の透過軸１２ａ，１３ａのなす角度を７４°以上８２°以下とすれば、明るくコントラストの高い表示が可能となる。

図１１（ａ）は、角度φ１を３８°とした場合の電圧−透過率特性を示す図であり、図１１（ｂ）は、角度φ１を４５°とした場合の電圧−透過率特性を示す図である。シミュレーションの条件は前述したものと同じである。液晶層の層厚は１０μｍとしている。

図１１（ａ）に示すように、角度φ１を３８°とした場合には、入射角θ１が大きくなるほど電圧無印加状態（黒表示）の透過率は小さくなり、入射角θ１が５５°ないし７０°の範囲では、電圧無印加状態の透過率は概ね０％となる。一方、図１１（ｂ）に示すように、角度φ１を４５°とした場合には、入射角θ１が大きくなると、電圧無印加状態の透過率は大きくなり、入射角θ１が５５°ないし７０°の範囲では、電圧無印加状態の透過率は１．５％ないし２％となる。よって、角度φ１を斜め入射される光に対して適切な角度に設定することで、黒表示時の光抜けを抑制し、コントラストの高い表示を実現することができる。

本実施形態の液晶表示装置では、２つの偏光層１２，１３の透過軸１２ａ，１３ａのなす角度を斜め入射される光Ｌに対して適切な角度に設定しているため、コントラストの高い画像表示が可能な液晶表示装置となる。

［第４実施形態］
図１２は、第４実施形態の液晶表示装置４０の断面図である。液晶表示装置４０において第３実施形態の液晶表示装置と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

液晶表示装置４０において第３実施形態の液晶表示装置と異なる点は、導光板４６として、透明基板４５の内部に散乱体４４を分散させたものが用いられている点と、導光板４６の互いに対向する第１端面４６ａおよび第２端面４６ｃの双方に複数の第１光源５および複数の第２光源４２が配置されている点と、色変換層４３ａが第１電極１４の＋Ｙ側および−Ｙ側に張り出すように形成されている点である。

透明基板４５としては、アクリル樹脂やガラスなどの、第１光源５および第２光源４２から射出された第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２を透過する高透過率の基板が用いられる。散乱体４４としては、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２の波長（白色光の場合は５５０ｎｍ。光が特定波長に発光ピークを有する着色光である場合には、発光ピークのピーク波長）よりも大きい粒径の散乱体が用いられる。例えば、直径が１μｍないし１０μｍのシリコン系樹脂粉体（東芝シリコン製、トスパール１２０）が好適である。

導光板４６に入射した第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２は、散乱体４４によって進行方向を少しずつ変化させながら導光板４６の内部を伝播し、導光板４６の第１主面４６ｂ（透明基板４５の第１主面）への入射角が臨界角よりも小さくなった時点で外部空間に取り出され、液晶パネル４１に向けて射出される。よって、導光板４６の第１主面４６ｂから射出される第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２は、第１主面４６ｂの法線方向（Ｚ方向）に対して、光の伝播方向側（第１の光Ｌ１の場合は、第１端面４６ａから第２端面４６ｃへ向かう側：＋Ｙ側。第２の光Ｌ２の場合は、第２端面４６ｃから第１端面４６ａへ向かう側：−Ｙ側）に所定の角度θ１だけ傾いた方向に指向性を持った光となる。角度θ１は、例えば６０°であり、６０°±１０°くらいの角度で第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２が第１主面４６ｂから射出される。

第１光源５および第２光源４２は、第１実施形態の液晶表示装置１で用いられた光源５と同じである。第１光源５は、発光面を導光板４６の第１端面４６ａと対向させた状態でＸ方向に配列され、第１端面４６ａに向けて第１の光Ｌ１を射出する。第２光源４２は、発光面を導光板４６の第２端面４６ｃと対向させた状態でＸ方向に配列され、第２端面４６ｃに向けて第２の光Ｌ２を射出する。第１光源５および第２光源４２は、ＬＥＤや有機ＥＬ（Electro Luminescence）素子のような点状光源でもよく、冷陰極蛍光ランプ（Cold Cathode Fluorescent Lamp；CCFL）のような線状光源でもよい。

第２基板１１上には、各表示要素に対応する開口部４３Ｈを備えた遮光層（ブラックマトリクス）４３ｂと、遮光層４３ｂの各開口部４３Ｈに配置された色変換層４３ａと、が形成されている。色変換層４３ａは、液晶層１５を透過した第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２を該第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２とは異なる色の光に変換して射出する光学部材である。色変換層４３ａは、該色変換層４３ａに対応する表示要素の第１電極１４よりも＋Ｙ側および−Ｙ側に長く形成されている。本実施形態の場合、色変換層４３ａは、赤、緑又は青の顔料を樹脂の内部に分散させたカラーフィルタ層であるが、色変換層４３ａは、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２により励起されて赤、緑又は青の光を発光する蛍光体層であってもよい。色変換層４３ａとして蛍光体層を用いる場合には、第２偏光層１３が色変換層４３ａよりも液晶層側に配置されるインセル偏光層か、色変換層４３ａが第２偏光層１３よりも外側に配置される構造が望ましい。

色変換層４３ａは、Ｚ方向（液晶パネル４１の法線方向）から見て、第１電極１４全体を覆うように配置されている。バックライト４９から液晶パネル４１に向けて斜めに射出される第１の光Ｌ１の射出方向をＺ方向と直交する平面に投影した方向を第１方向（本実施形態の場合、Ｙ方向）とすると、色変換層４３ａは、Ｚ方向から見て、第１電極１４よりも第１方向および第１方向とは反対の方向に張り出して形成されている。

本実施形態の場合、第１の光Ｌ１は、Ｚ方向に対して＋Ｙ側に角度θ２だけ傾いた方向に進行する。そのため、第１電極１４を透過して液晶層１５の内部を斜めに進行する第１の光Ｌ１が、該第１電極１４に対応する表示要素の色変換層４３ａに全て入射するように、色変換層４３ａの＋Ｙ側の端部は、第１電極１４の＋Ｙ側の端部よりもＺ方向から見て長さＷ１だけ＋Ｙ側にずれて配置されている。また、第１電極１４を透過して液晶層１５の内部を斜めに進行する第２の光Ｌ２が、該第１電極１４に対応する表示要素の色変換層４３ａに全て入射するように、色変換層４３ａの−Ｙ側の端部は、第１電極１４の−Ｙ側の端部よりもＺ方向から見て長さＷ２だけ−Ｙ側にずれて配置されている。

Ｗ１は、例えば、第１電極１４と色変換層４３ａとの間のＺ方向の間隔をｄとし、液晶層１５の内部を進行する第１の光Ｌ１の進行方向とＺ方向とのなす角度をθ２とすると、Ｗ１＝ｄ・ｔａｎθ２の関係を満たすように設計されている。また、Ｗ２は、例えば、第１電極１４と色変換層４３ａとの間のＺ方向の間隔をｄとし、液晶層１５の内部を進行する第２の光Ｌ２の進行方向とＺ方向とのなす角度をθ４とすると、Ｗ２＝ｄ・ｔａｎθ４の関係を満たすように設計されている。

本実施形態の液晶表示装置４０では、色変換層４３ａが第１電極１４の＋Ｙ側および−Ｙ側の双方に張り出して形成されている。そのため、色変換層４３ａの中心と第１電極１４の中心とが大きくずれることはない。例えば、第１実施形態の液晶表示装置１のように、色変換層１６ａの中心と第１電極１４の中心がずれて配置される場合には、色変換層１６ａと第１電極１４との位置決めをアライメントマークのみに基づいて行うことになり、目視で確認しながら微調整するなどの方法がとりにくい。それに対して、本実施形態のように色変換層４３ａの中心と第１電極１４の中心とが概ね一致するように配置される場合には、色変換層４３ａと第１電極１４との位置決めをアライメントマークと目視の双方に基づいて行うことができ、位置決めの精度が向上する。

［変形形態］
上記実施形態では、第１基板１０と導光板４を別々の基板として用意したが、液晶表示装置の構成はこれに限定されない。例えば、第１基板１０を省略し、導光板４上に直接回路層、第１偏光層１２および第１電極１４などを形成してもよい。この場合、第１偏光層１２は、光源５と導光板４との間に配置してもよく、光源５から偏光光を射出することができるものであれば、第１偏光層１２は省略してもよい。

本発明は、液晶表示装置の分野に利用することができる。

１…液晶表示装置、２…液晶パネル、３…バックライト、４…導光板、４ａ…第１端面、４ｂ…第１主面、４ｃ…第２端面、５…第１光源、１０…第１基板、１１…第２基板、１２…第１偏光層、１２ａ…第１偏光層の透過軸、１３…第２偏光層、１３ａ…第２偏光層の透過軸、１４…第１電極、１５…液晶層、１６ａ…色変換層、１７…第２電極、３０…液晶表示装置、３１…液晶パネル、３２…配光制御層、４０…液晶表示装置、４１…液晶パネル、４２…第２光源、４３ａ…色変換層、４４…散乱体、４５…透明基板、４６…導光板、４６ａ…第１端面、４６ｂ…第１主面、４６ｃ…第２端面、４９…バックライト、Ｌ１，Ｌ２…光

Claims (10)

1. 第１電極と、
   前記第１電極と対向する第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加しない電圧無印加状態において光学的に等方性であり、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加した電圧印加状態において光学的に異方性を生じる液晶層と、
   前記液晶層と対向配置され、第１端面から入射した光を第１方向に伝播させ、前記液晶層と対向する第１主面から前記液晶層に向けて斜めに射出させる導光板と、を備えている液晶表示装置。
2. 前記導光板の第１主面から射出されて前記液晶層の内部を斜めに通過した光を他の色の光に変換する色変換層が、前記第１電極に対応して設けられ、
   前記色変換層は、前記液晶層の層厚方向から見て、前記第１電極よりも前記第１方向に張り出して形成されている請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記第１電極が形成された第１基板と、前記第２電極が形成された第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に配置された前記液晶層と、前記第２電極を挟んで前記液晶層と反対側に設けられた前記色変換層とを備えた液晶パネルと、
   前記導光板を備え、前記液晶パネルに対して斜めに前記光を入射させるバックライトと、を備えている請求項２に記載の液晶表示装置。
4. 前記バックライトは、前記液晶パネルに対して５５°以上７０°以下の角度で入射する光の強度が最も大きくなるような配光特性を備えている請求項３に記載の液晶表示装置。
5. 前記液晶パネルは、前記液晶層と前記バックライトとの間に配置された第１偏光層と、前記液晶層を挟んで前記バックライトとは反対側に設けられた第２偏光層と、を備え、
   前記第１偏光層の透過軸と前記第２偏光層の透過軸とは互いに交差するように配置され、
   前記第１偏光層の透過軸と前記第２偏光層の透過軸は、前記第１方向に対して、それぞれ４５°未満の角度をなす方向に配置されている請求項４に記載の液晶表示装置。
6. 前記第１偏光層の透過軸と前記第２偏光層の透過軸とのなす角度は、７４°以上８２°以下である請求項５に記載の液晶表示装置。
7. 前記液晶層を通過した光の強度が最も強くなる方向が前記液晶層の層厚方向に近付くように、前記液晶層を通過した前記光の配光を制御する配光制御層を備えている請求項３ないし６のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
8. 電圧印加状態における前記液晶層の屈折率異方性をΔｎとし、前記液晶層の層厚をｄとしたときに、前記屈折率異方性Δｎと前記液晶層の層厚ｄとの積であるリタデーションΔｎ・ｄが、前記光の波長λ（前記光が特定波長に発光ピークを有する着色光である場合には、λは発光ピークのピーク波長であり、前記光が白色光であるときは、λは５５０ｎｍである）以上である請求項３ないし７のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
9. 前記バックライトは、前記導光板の第１端面に第１の光を入射させる第１光源と、前記導光板の第２端面に第２の光を入射させる第２光源と、を備え、
   前記導光板は、前記第１端面から入射した前記第１の光を前記第１方向に伝播させ、前記第１主面から前記液晶パネルに向けて斜めに射出するとともに、前記第２端面から入射した前記第２の光を前記第１方向とは反対の方向に伝播させ、前記第１主面から前記液晶パネルに向けて斜めに射出し、
   前記色変換層は、前記液晶層の層厚方向から見て、前記第１電極よりも前記第１方向および前記第１方向とは反対の方向に張り出して形成されている請求項３ないし８のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
10. 前記導光板は、前記第１の光および前記第２の光を透過する透明基板の内部に、前記第１の光および前記第２の光を散乱する散乱体が分散されて構成されている請求項１ないし９のいずれか１項に記載の液晶表示装置。

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