JP2515626B2 - 液晶表示装置および位相差板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は複屈折型液晶表示装置における着色を位相差
板によって補償することにより無色化した液晶表示装置
および位相差板に関する。

［背景技術］ ねじれ角度90°のネマチック液晶パネルを一対の偏光
板の間に介在させたツイスト型液晶表示装置の改良型と
して、ねじれ角度を270°程度に増大させることによ
り、駆動電圧に対する光透過率の変化を急峻にしたもの
がSTN（スーパーツイステッドネマチック）型液晶表示
装置として知られている（たとえば米国特許第4,634,22
9号参照）。

このSTN型液晶表示装置においては、液晶分子の配向
方向に対して偏光板の偏光方向が交差するように配置
し、その結果として生ずる複屈折効果により高いコント
ラストを得ている。

ところで、複屈折効果には波長依存性があるので、白
色光が複屈折型液晶表示装置を透過すると透過光が着色
するという欠点がある。

そこで、三原色R,G,Bのカラーフィルタとこの液晶表
示装置とを組合せてフルカラー表示を行うためには、上
記の複屈折効果の波長依存性に起因する着色を無色化す
ることが必要となる。

STN型液晶表示装置における着色を無色化する方法と
しては、一対の偏光板の間にSTN型液晶パネルとともに
光学異方性層を配置し、後者の示す複屈折効果により前
者の効果を補償して無色化することが提案されている
（たとえば米国特許第4,844,569号参照）。

この場合、光学異方性層としては第２のツイスト液晶
パネルあるいは位相差板が用いられるが、コストの点か
らも延伸された高分子膜からなる位相差板の方が有利で
ある。

高分子膜を一軸延伸あるいは異方性二軸延伸すると、
高分子は延伸率の最も大きい方向、すなわち主たる延伸
方向に集中的に配向し、光学異方性を示す位相差板とな
る。この場合、延伸方向の屈折率をn_e、膜面内で延伸方
向と直交する方向すなわち幅方向の屈折率をn_oとする
と、n_e−n_o＝Δｎの値は屈折率異方性あるいは配向複屈
折と呼ばれる。この値は、高分子膜の構成単位であるモ
ノマーに固有の光学異方性すなわち固有複屈折値と高分
子の配向度とによって決められる。分子軸方向の屈折率
がそれと直交する方向の屈折率より大きい高分子材料す
なわち正の固有複屈折値を有する高分子材料の延伸によ
る配向膜ではn_e＞n_oとなる。

これに対して負の固有複屈折値を有する高分子材料の
延伸による配向膜ではn_e＜n_oとなる。

屈折率異方性Δｎと膜厚ｄとの積Δｎ・ｄは光路差と
呼ばれる。また、主たる延伸方向を便宜上光学軸と呼ぶ
ことがある。

液晶の屈折率異方性Δｎと液晶層の厚さｄとの積Δｎ
・ｄに対して、位相差板の光路差Δｎ・ｄを最適に調和
させ、位相差板の光学軸の向きを液晶分子の配向方向に
対して最適の角度に配置されば、液晶パネルの複屈折効
果による着色は補償され、液晶装置を無色化することが
できる。

以上は液晶表示装置を正面から観察した場合について
述べたものであるが、斜め方向から見た場合には液晶層
のΔｎ・ｄおよび位相差板の光路差Δｎ・ｄの値がとも
に変化し、着色補償の条件が失なわれることになる。こ
の場合、液晶層のΔｎ・ｄと比較して位相差板のΔｎ・
ｄの方が大きく変動するので、表示装置の視角依存性を
排除するためには、位相差板の光路差における視角依存
性を極力排除することが最大のポイントである。

このような観点から、複数の位相差板をその光学軸が
ツイスト状に配向するように積層する方法（特開平２−
53025）や、屈折率異方性が正と負の２種類の位相差板
を延伸方向が互いに平行になるように重ねて使用する方
法（特開平２−67518）などが提案されているが、いず
れも光路差Δｎ・ｄの視角依存性を排除することができ
ず、また必要な光路差を得るために位相差板の厚さｄを
厚くする必要があり、光透過効率が低下することが大き
な欠点である。

そこで本発明は、光路差の視角依存性の小さい位相差
板を複数の異方性高分子膜の組合せによって許容し得る
厚さの範囲で構成すること、およびこれを用いて着色を
補償して無色化したSTN型液晶表示装置を提供すること
である。

［発明の開示］ 本発明においては、いずれも高分子膜の延伸により作
られる正の固有複屈折値を有する第１の位相差板と、負
の固有複屈折値を有する第２の位相差板とを、それぞれ
の主たる延伸方向が実質的に交差するように配置し、ST
N型液晶パネルとともに一対の偏光板の間に配設するよ
うにした。

［図面の簡単な説明］ 第１図は高分子膜を延伸して作られる位相差板におけ
る延伸方向とその光学特性との関係を説明するための位
相差板の斜視図、第２図は位相差板の視角依存性に起因
する光路差の変化を、本発明の実施例について単独の位
相差板についての比較例と比較して示す特性図、第３図
は本発明による液晶表示装置の一実施例の構成を示す展
開斜視図、第４図は第３図に示した本発明の液晶表示装
置における各構成部材の光学的方位の相互関係を示す正
面図である。

［発明を実施するための最良の形態］ 本発明の実施例を説明するに先立ち、高分子膜の延伸
により作られる位相差板における複屈折性および光路差
Δｎ・ｄの視角依存性について図面を用いて説明する。

第１図は高分子膜を延伸して作られる位相差板20の斜
視図である。

延伸方向21の屈折率をn_eとし、位相差板面内で延伸方
向に直角な方向すなわち幅方向22の屈折率をn_oとすると
き、n_e−n_o＝Δｎが複屈折性あるいは配向複屈折値と呼
ばれ、このΔｎと位相差板の厚さｄとの積Δｎ・ｄが光
路差となる。

垂直方向23から観察した光路差Δｎ・ｄは、視線（観
察方向）を延伸方向21に向けて視点を真上から曲線矢印
24に添って動かすと、光路差Δｎ・ｄの変化量は第２図
の曲線31、32のように減少する。一方、視線を幅方向22
に向けて視点を真上から曲線矢印25に添って動かすと、
光路差Δｎ・ｄの変化量は第２図の曲線33、34のように
増加する。

したがって、n_e1−n_o1＞０である正の固有複屈折値を
有する第１の位相差板と、n_e2−n_o2＜０である負の固有
複屈折値を有する第２の位相差板とを、延伸方向が互い
にほぼ直交するように重ねると、光路差の視角依存性が
増加傾向を示す幅方向と減少傾向を示す延伸方向とが組
合わされ、その結果として合成された視角依存性は第２
図に曲線35、36で示すように極めて小さくなる。

これに対して屈折率について見ると、第１図および第
２図の位相差板における大きい方の屈折率どうし（n_e1
とn_o2）と小さい方の屈折率どうし（n_o1とn_e2）とが重
ねられるので、合成される屈折率の異方性Δｎは充分に
大きくなり、比較的薄い位相板によっても充分な光路差
Δｎ・ｄを得ることができる。

なお、第２図は後で説明する実施例１および比較例１
ならびに４について、光路差Δｎ・ｄの視角依存性によ
る変化量を示す図である。

ここで本発明による液晶表示装置の一実施例につい
て、第３図および第４図を参照して説明する。

第３図は本発明による液晶表示装置の一実施例の構成
を示す展開斜視図である。

STN型液晶パネル104の上方に、正の固有複屈折値を有
する位相差板102と、負の固有複屈折値を有する位相差
板103とが重ねて配設されており、これらが一対の偏光
板すなわち上偏光板101と下偏光板105の間に配置されて
いる。下偏光板105の下方には、表示装置を反射型とし
て観察するための反射板106が配置されている。

第４図は第３図に示した各構成部材における光学的方
位の相互関係を示す正面図である。

液晶パネル104は、正の誘電異方性を有し、屈折率異
方性Δｎ＝0.150のネマチック液晶が、液晶層厚ｄ＝6.4
μｍの間でねじれ角度240°の左螺線ツイスト構造をと
るように配向しているSTN型液晶パネルであり、そのΔ
ｎ・ｄ値は960nmである。

第４図において、１点鎖線41は液晶層の上部における
液晶分子の配向方向を示し、１点鎖線42は液晶層の下部
における液晶分子の配向方向を示す。上下の配向方向4
1,42の間のツイスト角は240°であり、このツイスト角
を２等分する方向をＹ軸とするようにＸ−Ｙ直交座標を
定める。

負の位相差板103の光路差Δｎ・ｄは−310nmで、その
主たる延伸方向は直線43の方向に向けられており、Ｘ軸
との間の角度θ_２は30°に設定されている。

正の位相差板102の光路差は＋310nmで、その主たる延
伸方向は直線44の方向に向けられており、Ｘ軸との間の
角度θ_２は60°に設定されている。

上偏光板101の偏光軸は直線45の方向に設定されてお
り、Ｘ軸との間の角度P₁は75°に設定されている。下偏
光板105の偏光軸は直線46の方向に設定されており、Ｘ
軸との間の角度P₂は15°に設定されている。

ここで、本発明の位相差板の素材について説明する。

なお本発明の位相差板は、液晶表示装置の他、工業用
光輝性解析装置、円偏光二色性装置、偏光顕微鏡、反射
防止板等に有効に使用される。

固有複屈折値が正の材料としてポリカーポネート樹
脂、セルロースジアセテート樹脂、ポリフエニレンオキ
サイド樹脂、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエ
ステル樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、負の材料と
してポリ（メタ）アクリル酸エステル樹脂、ポリエチレ
ンなどの不飽和芳香族化合物の樹脂等の透明なホモポリ
マー、コポリマーあるいはこれらを主成分とするブレン
ド物、ポリマーアロイの位相差板が使用できる。

特に、透明性に優れたポリカーボネート樹脂、セルロ
ースジアセテート樹脂、メタクリル酸エステルを主成分
とするアクリル樹脂、スチレンを主成分とするスチレン
系樹脂が好ましい。

次に、これにの高分子材料を延伸して作った固有複屈
折値が正あるいは負の位相差板と、これらの位相差板を
その主たる延伸方向がほぼ直交するように組み合せて得
た位相差板について測定した光路差の視角依存性の結果
を第１表に示す。

また、視角依存性としては第１図に示すように延伸方
向および幅方向に相当する互いに直交する２つの方向に
ついて視角を傾斜させた場合に観測される光路差の変化
量の絶対値の平均値をパーセントで表示たものである。
一方の方向に視角を傾斜させた場合には第２図に示すよ
うに光路差は増加し、他の方向については減少するが、
その変化量の絶対値は両方向でほぼ等しい。

次に、本発明者らが種々の素材を用いて種々の条件下
で位相差板を作成した実施例および比較例を示す。

実施例１〜４ ポリカーボネート樹脂（出光石油化学（株）製、Ａ−
2500）から185℃の延伸温度で2.5倍の延伸倍率で一定幅
一軸延伸を行ない厚みが205μで光路差が124nmの異方性
フィルムを得た。これにポリスチレン樹脂（三菱モンサ
ント（株）製、ダイヤレックス HF−77）から120℃の延
伸温度で1.5倍の延伸倍率で得た自由幅一軸延伸物、1.5
倍、2.5倍の延伸倍率で得た一定幅一軸延伸物および2.5
×1.1倍の延伸倍率で得た二軸延伸物を主たる延伸方向
が直角になるように重ね合せて位相差板を作製した。

これらの視角依存性は第１表に示したように小さいも
のであった。

なお、ポリスチレン樹脂の異方性フィルムの厚みと光
路差は各々275μｍと−313nm、215μｍと−157nm、134
μｍと−296nm、122μｍと−220nmであった。

比較例１〜３ 実施例１に使用したポリカーボネート樹脂と実施例3,
4に使用したポリスチレン樹脂の異方性フィルムの視角
依存性をそれぞれ単独で測定したが、第１表に示したよ
うに大きいものであった。

実施例５ ポリカーボネート樹脂から180℃の延伸温度で.2.2×
1.1倍の延伸倍率で二軸延伸を行ない厚みが198μｍで光
路差が106nmの異方性フィルムを得た。これにアクリル
樹脂（協和ガス化学工業（株）製、パラペットSH）から
130℃の延伸温度で1.5倍の延伸倍率で作製した厚みが32
4μｍで光路差が−138nmの一定幅一軸延伸物を主たる延
伸方向に直角になるように重ね合せて位相差板を作製し
た。

この位相差板の視角依存性は第１表に示したように小
さいものであった。

アクリル樹脂の異方性フィルム側で酢酸ブチルおよび
トルエンに対する耐溶剤性テストを行なったが、白化そ
の他の変化もなく良好であった。

比較例４ 実施例５にポリカーボネート樹脂の異方性フィルムの
視角依存性を単独で測定したが、第１表に示したように
大きいものであった。また酢酸ブチルおよびトルエンに
よる耐溶剤性試験で白化した。

実施例６ 実施例５に使用のポリカーボネート樹脂の異方性フィ
ルムに、アクリル樹脂から130℃の延伸温度で3.5×1.5
倍の延伸条件で得た厚みが324μｍで光路差が−109nmに
二軸延伸物を主たる延伸方向が直角になるように重ね合
せ位相差板を作製した。

この位相差板の視角依存性は第１表に示したように小
さいものであった。またこのアクリル樹脂の異方性フィ
ルムは一軸延伸物に比べ強度が高く、取扱いも容易で、
これから作製された位相差板も衝撃強度が向上した。

実施例７ 実施例１に使用したポリカーボネート樹脂の異方性フ
ィルムに、MS樹脂（新日鉄化学（株）製、エスチレン M
S−300）から130℃の延伸温度で2.5倍の延伸倍率で作製
した厚みが124μｍで光路差が−254nmの一定幅一軸延伸
物を主たる延伸方向が直角になるように重ね合せ位相差
板を作製した。

この位相差板の視角依存性は第１表に示したように小
さいものであった。

実施例８ セルロースジアセテート樹脂製の1/4波長板（富士写
真フィルム（株）製、フジタック）に実施例２に使用し
たポリスチレン樹脂の一定幅一軸延伸物を主たる延伸方
向が直角になるように重ね合せ位相差板を作製した。

この位相差板の視角依存性は第１表に示したように小
さいものであった。

比較例５ 実施例８に使用したセルロースジアセテート樹脂製の
1/4波長板の視角依存性を測定したが、第１表に示した
ように大きいものであった。

第３図および第４図に示すように構成された液晶表示
装置においては、液晶パネルの複屈折性の波長依存性に
起因する着色減少が効果的に排除され、実質的に無色化
された白黒表示が実現されることが発明者らにより確認
された。さらに、視角依存性も最小限に抑えられ、全方
向に対して視角の傾斜角が45°前後までは表示の品質に
実質的な変化が認められなかった。

なお、反射板106は液晶表示装置を反射型で観察する
ための部材であり、透過型で観察する場合には不要なも
のである。

上記の実施例ではツイスト角240°のSTN型液晶パネル
を例示したが、複屈折効果に起因する着色が問題となる
液晶パネル全般に対して本発明は有効であり、実用的に
はツイスト角180°〜300°のSTN型液晶パネルを対象と
するものである。

また、本発明においては、固有複屈折値が正と負との
少なくとも一対の位相差板をそれぞれの主たる延伸方向
が交差するように配置することが重要であるが、その交
差角は実施例に示したように90°直交である必要はな
い。

それぞれの位相差板の光路差Δｎ・ｄと液晶パネルの
Δｎ・ｄおよび液晶分子の配向方向との相対的な配置角
度などを総合的に最適化することが必要であるが、正と
負の位相差板を交差させることの効果は、90°直交を中
心として交差角90°±35°の範囲で有効に発揮される。

さらに上記実施例においては、正と負の一対の位相差
板を液晶パネルの片側に重ねて配設ているが、さらに別
の複数枚の位相差板を組み合せ、液晶パネルの両側に配
置することによっても、液晶表示装置の無色化と視角依
存性の排除とを最適化することができる。

本発明においては固有複屈折値が正と負の位相差板を
交差させることによって、視角依存性を互いに打ち消す
と同時に屈折率異方性を重ねて合成しているので、比較
的薄い位相差板の組合せで充分な光路差が得られ、光の
吸収による損失を低減することができる。

したがって、STN型液晶表示装置における着色の無色
化、視角依存性の排除と同時にコントラストと明るさの
向上、表示装置の薄型化にも極めて有効である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉村 修 新潟県北蒲原郡中条町協和町２ (56)参考文献 特開 平２−67518（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−13917（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−120804（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−285304（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−13916（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−130522（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−125224（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】正の誘電異方性を有しねじれ角度が180°
   〜300°のツイスト構造を有するネマチック液晶層と該
   液晶層を挟持する一対の電極基板とからなる液晶パネル
   と、該液晶パネルの両側に配置された一対の偏光板と、
   該一対の偏光板の間に配置された色補償用の位相差板と
   を有する液晶表示装置において、前記位相差板は正の固
   有複屈折値を有する第１の位相差板と、負の固有複屈折
   値を有する第２の位相差板の少なくとも２枚の位相差板
   の組み合せからなり、前記第１および第２の位相差板は
   いずれも高分子膜の延伸により作られ、それぞれの主た
   る延伸方向が90°±35°の角度範囲で互いに交差するよ
   うに配設されていることを特徴とする液晶表示装置。
2. 【請求項２】前記位相差板が高分子膜の一軸延伸物また
   は異方性二軸延伸物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. 【請求項３】前記第１の位相差板がポリカーボネート樹
   脂またはセルロースジアセテート樹脂の延伸フィルムで
   あ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. 【請求項４】前記第２の位相差板がアクリル樹脂または
   スチレン系樹脂の延伸フィルムであることを特徴とする
   請求項１、２または３に記載の液晶表示装置。
5. 【請求項５】正の固有複屈折値を有する第１の位相差板
   と、負の固有複屈折値を有する第２の位相差板との少な
   くとも２枚の位相差板の積層体から成り、前記第１およ
   び第２の位相差板はいずれも高分子膜の延伸により作ら
   れ且つそれぞれの主たる延伸方向が90°±35°の角度範
   囲で互いに交差するように配設されていることを特徴と
   する位相差板。