JP2571631B2

JP2571631B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2571631B2
Application number: JP2009200A
Authority: JP
Inventors: 敏幸吉水; 浩大西; 由美 ▲吉▼村; 恭平磯畑
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1990-01-17
Filing date: 1990-01-17
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2012-01-16
Also published as: JPH03212613A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は位相差板を用いたスーパーツイスト型液晶表
示装置に関するものである。

＜従来技術＞一般に、スーパーツイスト型液晶表示装置は、イエロ
ーグリーンあるいは、ブルーに着色するが、光学補償板
を用いることにより、色補正を行い明るく鮮明な白／黒
表示が得られる。そのため、表示品位が向上し、ワープ
ロ，コンピュータなどのOA機器の表示体として利用する
ことができる。

色補償を施したスーパーツイスト型液晶表示装置とし
ては、２層型のスーパーツイスト型液晶表示装置があ
り、１層目（駆動用セル）で生じた着色を２層目（光学
補償用セル）で色補正をし、無彩色化している。この構
造は、単層スーパーツイスト型液晶表示装置と比較して
液晶セルが２枚必要であるがため、表示装置の厚みが厚
くなり重量が増加するという問題を持っている。

この問題点を解決するために光学補償板として一軸延
伸高分子フィルムからなる位相差板を用いることによ
り、薄型で軽量なスーパーツイスト型液晶表示装置が開
発された。ところが位相差板は、高分子フィルムを延伸
して作られる為、フィルムの延伸方向とこれに直交する
方向とでは、光学的性質が異なり、２層型のスーパーツ
イスト型液晶表示装置と比べ、位相差板方式のスーパー
ツイスト型液晶表示装置は、視覚あるいは仰角による色
変化が大きい、つまり、視角が狭いという問題点を持っ
ている。

＜発明が解決しようとする問題点＞一軸延伸高分子フィルムからなる位相差板は光学異方
性を光学補償板として使用されている。ところが、高分
子フィルムに延伸方向とこれに直交する方向では、屈折
率（複屈折）が異なる。この屈折率Δｎとフィルムの厚
みｄの積で与えられるレターデーション（Δｎ・ｄ）は
光の位相を与える物理量であるが、これが高分子フィル
ムの延伸方向とこれに直交する方向で異なり、例えば一
軸性正号結晶に相当する位相差板においては、延伸方向
でレターデーションは減少し、これに直交する方向では
増加する傾向をもつ。液晶表示セルと組合わせたとき、
特に位相差板の延伸方向においては、位相差板のレター
デーションと液晶表示セルのもつレターデーションの差
が大きくなる為、透過してくる光は位相差を生じ、着色
する。つまり、色補償がなされなくなり、表示のコント
ラストが低下する為視角が狭くなる。

さらに、マウス使用のパソコンや手書きタイプのパソ
コンなどの高速応答を必要とするOA機器に利用される液
晶表示装置について、高速応答を追求した場合、例えば
立上り時間と立下り時間の和が100ms以下の液晶材料で
はそのシャープネス（α値）は1.10以上となり、充分な
コントラストが得られない。

第４図は液晶材料の急峻性（シャープネス（α値））
と応答時間（ms）の関係を示す図である。図示のよう
に、一般に液晶表示装置の応答の高速化を行うと液晶材
料のシャープネス（α値）が悪くなり、コントラストが
低下する。従って、高速応答用液晶表示装置のハイデュ
ーティ化は不可能であり、ローデューティで使用となっ
た。

本発明は、このような問題点を解決するものであり、
薄型、軽量で鮮明な白／黒表示が得られ、かつ広視野角
が得られる液晶表示装置を提供することを目的とする。

また本発明は、高速応答の液晶セルと組合せてコント
ラストの良好な液晶表示装置が得られるものである。

＜課題を解決するための手段＞本発明は、液晶表示セルの少なくとも一方面に位相差
板をレターデーションが相加されるように２枚積層し、
第１層目の位相差板の遅相軸と第２層目の位相差板の遅
相軸との交差角が20度から40度で、かつ第１層目の位相
差板のレターデーション値の仰角依存性が最小となる方
向に対して、第２層目の位相差板の遅相軸方向が平行と
なるように積層し、かつ液晶表示セルに隣接する位相差
板の遅相軸と液晶表示セルの隣接する基板のラビング軸
との交差角が70度から90度であり、かつ該積層位相差板
を液晶表示セルの前面及び背面に配設、あるいは、前面
及び背面のいずれか一方に配設、あるいは一方に該積層
位相差板を配設し、他方は単層位相差板を配設した事を
特徴とする。

＜作用＞一軸延伸高分子フィルムが位相差板として使用される
のは、その光学異方性の為である。即ち、液晶パネルを
通過した光（常光線と異常光線）の相対位相差を位相差
板を透過させることにより打ち消し、又は位相をそろ
え、無彩色化したものである。

この色補償は、高分子フィルムの延伸方向の屈折率と
これに直交する方向の屈折率が異なる性質を利用してい
る。一方位相差板の視角特性は３次元的屈折率を考えな
ければならない。今、位相差板の３次元方向の屈折率を
nMD（延伸方向）、nTD（延伸方向と直交する方向）、n_Z
D（厚み方向）とすると、延伸方向と、これに直交する
方向から見たときの屈折率とレターデーションは、位相
差板の法線方向からの仰角をΨとすると、次式で与えら
れる。

（１）延伸方向から見たとき位相差R_MD＝ΔMD・d/cosΨ （２）延伸方向と直交する方向から見たとき位相差R_TD＝ΔnTD・d/cosΨ ３次元方向の屈折率をそれぞれ測定し上式に代入する
と第４図が得られる。第４図は、理論式から求めた位相
差板の仰角に対するレターデーション変化の関係を示
す。この結果より、位相差板の延伸方向では、レターデ
ーションが減少し、延伸方向と直交する方向では、レタ
ーデーションが増加する傾向があることが判る（一軸性
正号の場合）。

さらにセナルモンの方法により仰角に対する位相差板
のレターデーションを測定した結果を第５図に示す。但
し、真上方向から見たときのレターデーション値を1.0
として規格化してある。また、方位は延伸方向を０°に
延伸方向と直交する方向を90°にして、その間を15°毎
に測定している。この結果は上述の理論式より得られる
傾向と一致している。第５図より仰角に対するレターデ
ーションの変化率を求めると第６図が得られる。

第６図において、仰角を15°,30°,45°,60°と増加
したとき、レターデーション値の変化は、延伸方向で減
少することが、一方、延伸方向と直交する方向では増加
することが判る。このことは上述のように理論的に説明
される。しかし、第６図より明らかなように、仰角の増
加にもかかわらずレターデーション値の変化が極めて小
さい（最小となる）方向がある（第６図において、各仰
角に対するレターデーション変化を示す曲線が交わる点
の方向）。我々は製造方法及び材質の異なる一軸延伸高
分子フィルムからなる位相差板を種々調べた結果、すべ
ての位相差板について、第６図と同様に仰角依存性が最
小となる方向をもつことを見い出した。

いま、延伸方向と仰角依存性が最小となる方向とのな
す角についてみると、製造方法に関しては、縦一軸延伸
法と横一軸延伸法があるが、若干縦一軸延伸法の方が大
きい傾向があるものの大差がないことが、又、材質に関
してはポリビニルアルコール（PVA）フィルムとポリカ
ーボネイト（PC）フィルムが一般的であるが、PVAの方
が大きな角をもつことが判った。このときの角はPCでは
30度〜40度、PVAでは35度〜45度であった。

一方、液晶表示セルの仰角に対するレターデーション
の変化率を求めた結果を第７図に示す。第７図より、液
晶表示セルは、仰角の増加とともにレターデーション値
が増加するものの減少はしないことが判った。またレタ
ーデーションの増加は視角方向と反視角方向で大きく、
左右方向では小さいことが判った。

このようなレターデーション変化を示す液晶表示セル
は上述のようなレターデーション変化を示す位相差板と
を組合せたとき、位相差板の延伸方向では、液晶表示セ
ルのレターデーションと位相差板のレターデーションの
差が大きくなり位相差をもつため、透過してくる光（常
光線、異常光線）は、位相差による着色を生じる。この
結果、表示のコントラストが低下する為、視角が狭くな
る。従って、視角を広げるには、位相差板を積層するこ
とによってレターデーション変化の小さい光学補償板を
得るようにすれば良い。

特に上述のような仰角によらず、レターデーシ変化が
最小となる方向を利用することは有効であり、少ない積
層枚数で効率的にレターデーション変化の小さい光学補
償板を得ることが可能となる。

しかし、このとき位相差板を通る常光線と異常光線の
振動面並びに液晶表示セルを通る常光線と異常光線の振
動面を考えなければならない。常光線の振動面を進相
軸、異常光線の振動面を遅相軸といい、二つの位相差体
を重ねるとき、互いの進相軸（又は遅相軸）を平行にす
る重ね方を相加、互いの進相軸（遅相軸）を直交する重
ね方を相減という。我々は、数々検討した結果位相差板
は相加的に積層した方がレターデーション変化が小さく
なり、その結果視角が広がることを見い出した。さらに
位相差板を相加的にｎ層積層したとき、第１層目と第ｎ
層目の位相差板の遅相軸の交差角は20度以上でなけれ
ば、実効的に視角が広がらないことが判った。

特に、２枚の位相差板を積層するときは、第６図で示
される仰角依存性の最小となる方向を利用することが有
効である。このとき、第１層目の位相差板の仰角に対す
るレターデーション変化が最小となる方向に対して、第
２層目の位相差板の遅相軸方向を平行になるように積層
することが、液晶表示セルと組合せたときレターデーシ
ョンの変化が小さくなり、視角が拡大することを見い出
した。

この、第１層目の位相差板のレターデーション変化が
最小になる方向に第２層目の位相差板の遅相軸を平行に
重ねるということは、互いの位相差板のレターデーショ
ンが減少する方向をレターデーション変化が最小となる
方向に互いに一致することであり、この結果、積層され
た位相差板においては、延伸方向でのレターデーション
値の減少が抑えられ、レターデーション変化は均一化さ
れる為、液晶表示セルと組合せたときに、位相差板の延
伸方向でのレターデーション差が小さくなり視角が広が
るものである。

積層を行うときは、色補償を考慮しなければならな
い。液晶表示セルに隣接する位相差板は、液晶示セルに
対して相減的に配置しなければ色補償されない。このと
き、液晶表示セルに隣接する位相差板の遅相軸は、液晶
表示セルの隣接する基板のラビング軸に対して70度から
90度のとき最適の色補償が得られることが判った。

これまでに述べた積層配設条件は、積層位相差板を液
晶表示セルの前面及び背面に配置した場合において、ま
た積層位相差板を液晶表示セルの前面又は背面のいずれ
か一方に配置した場合において、さらには一方に積層位
相差板を、他方には単層位相差板を配置した場合等、各
場合において、視角の広い高コントラストを有する液晶
表示装置を得ることができる。

また、高速応答の液晶表示セルに、上記したような位
相差板を配設することによって、液晶表示セルを透過し
た光の色補正を行い、ON透過率を高め、OFF透過率を低
くし、ON/OFFの透過光量比を高めて良好なコントラスト
を得ることができる。また、従来の補正用液晶セルを組
合わせた場合と比べても、ON時の透過光量が高いため明
るく鮮明で、かつ軽量，薄型の液晶表示装置を得ること
ができる。

＜実施例＞本発明の実施例を第１図及び第２図に基づき説明す
る。

第１図は、以下に述べる本発明の実施例の構造を示す
説明図であり、１は上側偏光板、２は上側積層位相差
板、３はSTN液晶セル、４は下側積層位相差板、５は下
側偏光板である。上側偏光板１は、単体透過率42％、偏
光度99.99％のニュートラルグレータイプの偏光板を用
い、上側積層位相差板２は、一軸延伸高分子フィルム
（ポリカーボネート）から成る厚み50μｍで積層時のレ
ターデーション値が380〜580nmのもの、STN液晶セル３
には、左旋性カイラルドーバントを添加したLC材を封入
し、ツイスト角度240度、ｄΔｎ（ｄは液晶層厚、Δｎ
は屈折率異方性の値）＝0.83〜0.92μｍに設定されたパ
ネルを用いた。又、下側積層位相差板４は、上側積層位
相差板２と同一枚数で同一のレターデーション値のもの
を、下側偏光板５についても、上側偏光板１と同一のも
のを用いた。

この場合の各々の構成部材の積層にあたっての配設位
置関係について、第２図を用いて説明する。

第２図を示す各矢印のうち、P1はSTN液晶セル３を構
成する上基板の液晶分子配向軸、P2は同下基板の液晶分
子配向軸、P3は上側偏光板１の吸収軸、P4は下側偏光板
５の吸収軸、P5は上側積層位相差板２のSTN液晶セルに
隣接する位相差板の遅相軸（延伸方向）、P6は下側積層
位相差板４のSTN液晶セルに隣接する位相差板の遅相軸
（延伸方向）、θ₁は上基板の液晶分子配向軸P1と上側
積層位相差板P5のSTN液晶セルに隣接する位相差板の遅
相軸とのなす角度、θ₂は下基板の液晶分子配向軸P2と
下側積層位相差板P6のSTN液晶セルに隣接する位相差板
の遅相軸とのなす角度、αは下基板の液晶分子配向軸P2
と下側偏光板の吸収軸P4とのなす角度、βは上側基板の
液晶分子配向軸P1と上側偏光板の吸収軸P3とのなす角度
を表わしている。

位相差板の積層を行うためには、積層したときの色補
償が確保されねばならない。そこでまず、位相差板の積
層を行わず、位相差板の配置の最適化を検討した。

上側位相差板として、レターデーション値580nmのも
のを使用し、液晶セル３のｄΔｎは0.83μｍ、ツイスト
角240度のものを使用する。θ₁＝50°,60°,70°,80°,
90°,100°,110°に設定し、色補償を調べた。尚、この
とき、α，βは、任意に動かし、白／黒表示が得られる
ように調整した。その結果、θ₁＝70°〜90°のとき色
補償が得られることが分った。

次に上側及び下側位相差板としてレターデーション値
400nmのものを使用し、液晶セル３のｄΔｎが0.92μ
ｍ、ツイスト角240度のものを使用する。θ₁＝50°,60
°,70°,80°,90°,100°,110°，θ₂＝130°,120°,11
0°,100°,90°,80°,70°に設定し、色補償を調べた結
果これもθ₁＝70°〜90°（θ₂＝110°〜90°）のとき
色補償が得られることが分った。

このとき色補償が得られるほど、視角が広くなること
を見い出した。そこで位相差板を積層するとき、液晶セ
ルに隣接する位相差板は70°≦θ₁≦90°（90°≦θ₂≦
110°）の範囲で配設することにした。

実施例１位相差板の積層は、液晶セルと隣接する位相差板を第
１層目として、次に第２層目を積層することにする。上
側積層位相差板２の積層枚数を２枚にして、第１層目第
２層目の位相差板はレターデーションが400nmのものを
使用し、液晶セル３のｄΔｎは0.92μｍ、ツイスト角24
0度のものを使用する。θ₁＝70°に設定し、第１層目と
第２層目の位相差板の遅相軸（延伸方向）の交差角を０
°,10°,20°,30°,40°,50°に設定し、視角と色補償
を調べた結果、交差角が20°〜40°にあるとき良好な結
果が得られ、特に交差角25°のときが最適であった。こ
のときのα＝40°，β＝50°であった。このとき積層し
ていないときと比べ視角方向で、約７°視角が広くなっ
た。

実施例２上側積層位相差板２の積層枚数を２枚にして、第１層
目，第２層目の位相差板はレターデーションが200nmの
ものを使用し、液晶セル３のｄΔｎは、0.90μｍ、ツイ
スト角240度のものを使用する。下側積層位相差板４は
積層せず、１枚にして、レターデーションが400nmのも
のを使用する。θ₁＝90°θ₂＝90°に設定し、第１層目
と第２層目の位相差板の遅相軸（延伸方向）の交差角を
０°,10°,20°,30°,40°,50°に設定し、視角と色補
償を調べた結果、交差角が20°〜40°にあるとき良好な
結果が得られ、特に交差角30°のときが最適であった。
このときのα＝130°，β＝20°であった。このとき、
積層していないときと比べ、視角方向で約５°反視角方
向で約３°視角が広くなった。

実施例３上側積層位相差板２の積層枚数を２枚にして第１層
目、第２層目の位相差板はレターデーションが200nmの
ものを、又、下側積層位相差板４の積層枚数を２枚にし
て、第１層目第２層目の位相差板はレターデーションが
300nmのものを使用する。液晶セル３のｄΔｎは0.90μ
ｍ、ツイスト角240度のものを使用する。θ₁＝90°，θ
₂＝90°に設定し、上側積層位相差板２、下側積層位相
差板４はともに第１層目と第２層目の遅相軸（延伸方
向）の交差角０°,10°,20°,30°,40°,50°に設定
し、視角と色補償を調べた結果、交差角が20°〜40°に
あるとき良好な結果が得られ、特に交差角30°のときが
最適であった。このときのα＝80°，β＝５°であっ
た。このとき積層していないときと比べ、視角方向で約
２°反視角方向で約７°視角が広くなった。

以上の実施例のうち、実施例１の場合の最適組合せ例
について、視角特性を測定した結果を第８図に示す。又
実施例２と実施例３の場合の最適組合せ例について視角
特性を測定した結果を第９図に示す。

実施例４上側積層位相差板２の積層枚数を２枚にして、第１層
目，第２層目の位相差板はレターデーションが200nmの
ものを使用し、液晶セル３のｄΔｎは0.91μｍ、ツイス
ト角240度のものを使用する。この液晶セル３は液晶材
料のシャープネス（α）値が、1.12で応答時間（立上り
時間と立下り時間の和）が約70msの高速応答セルであ
る。

下側積層位相差板４は積層せず、１枚にして、レター
デーションが417nmのものとし、θ₁＝85°，θ₂＝95°
に設定し、第１層目と第２層目の位相差板の遅相軸（延
伸方向）の交差角を30°にする。このとき、α＝45°，
β＝100°である。

視角を調べた結果、積層していないときと比べ、視角
方向で約６°、反視角方向で約３°視角が広くなった。

実施例４の場合の視角特性を第10図に示す。

また、実施例４における、本発明を用いた場合と用い
ない場合の分光透過率を第11図に示す。この時の応答時
間は1/240D 1/13Bで、本発明を用いる用いないにかか
わらず、70ms（at25°）である。色調，コントラストに
ついては、第11図からもわかる様に本発明を用いた方が
分光曲線はフラットであり、ON,OFF時の透過光量比も大
きいことにより、高速応答かつ、高コントラストで鮮明
な表示が得られている。

＜発明の効果＞本発明によれば、位相差板のもつ視角（仰角）に対す
るレターデーション変化を小さくできる為、位相差板方
式のスーパーツイスト型液晶表示装置における、薄型・
軽量で表示コントラストが良好な特徴を生かし、さら
に、視角依存性の少ない高品質の液晶表示装置が得られ
る。

また、高速応答の液晶表示セルとの組合せによって、
高速応答性を維持してかつコントラストの高い広視野
角，高速応答の液晶表示装置が得られ、パソコンのマウ
ス対応アプリケーション等での使用が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の説明に供する液晶表示装置の
構造説明図面、第２図は同実施例の位置関係を示す平面
図、第３図は液晶材料の急峻性と応答時間の関係を示す
図、第４図は理論式から求めた位相差板の仰角に対する
レターデーション変化の関係を示した図、第５図は実測
した位相差板の仰角に対するレターデーション変化の関
係を示した図、第６図は位相差板の全方位におけるレタ
ーデーション変化率の関係を示した図、第７図は液晶パ
ネルの全方位におけるレターデーション変化率の関係を
示した図、第８図は実施例１の場合の最適組合せ例につ
いて視角特性を実測した結果を示した図、第９図は実施
例２と実施例３の場合の最適組合せ例について視角特性
を実測した結果を示した図、第10図は実施例４の場合の
視角特性を実測した結果を示した図、第11図は実施例４
の分光透過率を説明する図である。 1:上側偏光板,2:上側積層位相差板,3:STN液晶セル,4:下
側積層位相差板,5:下側偏光板。

フロントページの続き (72)発明者磯畑恭平大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (56)参考文献特開平１−304422（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光学補償板として、一軸延伸高分子フィル
ムからなる位相差板を用いたスーパーツイスト型液晶表
示装置において、液晶表示セルの少なくとも一方面に位
相差板のレターデーションが相化されるように２枚積層
し、第１層目の位相差板の遅相軸と第２層目の位相差板
の遅相軸との交差角が20度から40度で、かつ第１層目の
位相差板のレターデーション値の仰角依存性が最小とな
る方向に対して、第２層目の位相差板の遅相軸方向が平
行となるように積層し、かつ液晶表示セルに隣接する位
相差板の遅相軸と液晶表示セルの隣接する基板のラビン
グ軸との交差角が70度から90度であることを特徴とする
液晶表示装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の液晶表示装置
において、上記積層位相差板を上記液晶表示セルの前面
及び背面にそれぞれ配設してなることを特徴とする液晶
表示装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項記載の液晶表示装置
において、上記液晶表示セルの一方面に上記積層位相差
板を配設するとともに、他方面には単層の位相差板を配
設してなることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項４】特許請求の範囲第１項または第２項または
第３項記載の液晶表示装置において、上記液晶表示セル
は立上り時間と立下り時間の和が100ms以下の高速応答
液晶セルであることを特徴とする液晶表示装置。