JP2595537B2

JP2595537B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2595537B2
Application number: JP62113677A
Authority: JP
Inventors: 哲郎松本; 豊中川; 二三男角尾; 裕一斎藤; 浩士長谷部
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1987-05-12
Filing date: 1987-05-12
Publication date: 1997-04-02
Anticipated expiration: 2012-04-02
Also published as: JPS63279229A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、遮光膜を形成したネガ型表示を行なう液晶
表示装置に関するものである。

［従来の技術］従来、自動車の計器類、あるいは時計等の表示に用い
られている液晶表示装置は、暗い表示面に明るい文字、
図形などの表示を行うネガ型表示が多く採用されてい
る。

ネガ型液相表示装置は、表示部分以外の背景部分では
液晶層に電圧が印加されていないため、液晶分子がねじ
れており、これに沿って光がねじれて進み、一対の偏光
膜の偏光軸を並行させて配置することにより、背景部分
で光が透過しないようにされている。しかし、通常のこ
のネガ型液晶表示装置の背景部分では、光が液晶層中を
ねじれて進む際に、偏光度が低下するため、ある程度特
定の色の光が透過してきてしまい、コントラストが不十
分である問題点があった。

この問題を解決するために、表示部分以外の背景部分
に遮光膜を形成し、さらに通常のポジ型液晶表示装置の
場合と同様に、液晶に電圧を印加しない状態で透過して
くるように偏光膜を配置するネガ型表示装置が提案され
ている。この表示装置は、表示部分のうち、所定の表示
パターン部（以下透光セグメントという）には液晶分子
が立ち上るしきい値電圧以下の電圧を印加し光を透過さ
せ、所定の表示パターン以外の表示部（以下、遮光セグ
メントという）には、しきい値電圧以上の電圧を印加し
光を遮光してネガ型表示を行なう形の液晶装置が提案さ
れている。（特開昭60−162227号）この表示装置においては、遮光セグメント部は液晶分
子の基板に対して立ち上がっているため、基板に対して
垂直方向が液晶分子の光軸方向となり、この方向から見
る限りにおいては液晶分子は複屈折性を示さない。従っ
て、偏光板の偏光軸を直交してはりあわせた場合と等し
い遮光度が得られるため、1000以上という極めて高いコ
ントラスト比を得ることができる。

［発明の解決しようとする問題点］しかしながら、この遮光セグメント部を斜め方向から
見ると、液晶分子が複屈折性を示すことにより、光がも
れ、遮光が不十分になる。この光のもれは、特定の方向
において低角度になるに従い増加し、コントラスト比の
低下により視認性が悪くなる。また、背景部と遮光セグ
メント部の明るさが大きく異なり、遮光セグメント部と
透光セグメント部の明るさの違いが小さくなるため、表
示内容を誤認する恐れがあるという問題点があった。

［問題点を解決するための手段］本発明は、前述の問題点を解決すべくなされものであ
り、電極を設けた基板間にネマチック液晶層を挟持し、
表示パターンに対応する部分以外には遮光膜を設け、液
晶セルの両面に偏光膜の偏光軸を電圧無印加部分で光が
透過してくるように一対の偏光膜を配置し、所望の表示
パターン以外の表示パターン部分の電極に前記ネマチッ
ク液晶が励起する以上の電圧を印加するネガ型表示の液
晶表示装置において、一対の偏光膜の間に、光学弾性軸
の３方向のうち、最も屈折率の小さい値を示す方向を基
板垂直方向に向けた光学素子を配置し、前記光学素子の
光学異方性（Δn_c）と厚み（d_c）の積Δn_c・d_cが前記ネ
マチック液晶の光学異方性（Δn₁）と厚みd₁の積Δn₁・
d₁に対し、その絶対値において比率が0.5〜1.5の範囲と
されたことを特徴とする液晶表示装置を提供するもので
ある。

本発明を図面を参照しつつ説明する。

第１図は、本発明のネガ型表示のねじれネマチック液
晶表示装置の基本的な例の断面図を示す。

第１図において、1Aは基板であり、2Aはその上に形成
された電極であり、さらにその上には配向膜3Aが形成さ
れている。一方、他方の基板1Bには、その上に電極2B、
表示パターン以外の部分に遮光膜４、それらの上に配向
膜3Bが形成されている。これらの２枚の基板の電極面に
相対向するようが配置して、周辺をシール材５でシール
し、内部にネマチック液晶を注入して液晶層６を形成し
て液晶セルを形成する。

この液晶セルの両面には、一対の偏光膜7A、7Bが配置
され、その偏光軸は、通常のポジ型表示の液晶表示素子
の場合と同様に電圧を印加した部分で光が遮断されるよ
うにされている。また、基板1Aと偏光膜7Aの間に光学弾
性軸の３方向のうち、最も小さい屈折率を示す方向を、
基板垂直方向に向けた光学素子８を配置する。

具体的には、ほぼ90゜のねじれになるように配向膜を
形成し、液晶の分子が電圧を印加しない状態でほぼ90゜
ねじれた状態にし、偏光膜の偏光軸は、それぞれの配向
方向と平行または直交するように配置すれば良い。即
ち、偏光膜の偏光軸は相互にほぼ90゜になるように配置
される。

もっとも、この配向方向を90゜としても、液晶のねじ
れを90゜でなく、270゜や450゜としてもよいし、配向方
向を正確に90゜とせずに、85゜とか100゜とかしてもよ
い。また、偏光軸と配向方向との角度も平行または直交
に限られなく、それから少しずらせて５゜とか85゜とか
してもよい。

本発明で使用される光学素子８は、一軸性か二軸性の
光学異方性をもつ光学素子を用いる。通常のネマチック
液晶材料は、正の光学異方性を有しているので、それに
よって生じる複屈折を打ち消すために、この光学異方性
を表す屈折率楕円体の主軸方向（光学弾性軸）の３方向
のうち、最も小さい値をもつ方向を基板垂直方向へ向け
る。もし、液晶材料の光学異方性が逆に負であるなら
ば、光学素子の最も大きい屈折率を示す方向を基板垂直
方向とすれば同様の効果がある。

光学素子としては、一軸性の光学異方性を示すものが
望ましいが、二軸性の光学異方性をもつ素子でも効果が
ある。二軸性の光学素子を使用する場合には、光軸の開
き角がなるべく小さいものを選ぶのが望ましく、90゜以
上のものは効果が小さくなる。また、その配置としては
基板垂直方向以外の２つの光学弾性軸が、偏光膜の偏光
軸とほぼ平行にすることが望ましい。これが平行からず
れると、基板垂直方向から見た場合に光学素子のもつ複
屈折により、遮光セグメント部において光が透過しコン
トラストが低下するとともに、透光セグメントにおいて
も着色するという問題点がでてくる。厚みは、光学素子
の光学異方性Δn_cと厚みd_cの積が、液晶材料の光学異方
性Δn₁と液晶層d₁の厚みの積Δn₁・d₁に対して、ほぼ等
しいことが最も効果があり、その比が0.5〜1.5の範囲に
あれば、コントラストの角度変化を低減する効果があ
る。

具体的には、液晶の光学異方性と厚みの積Δn₁・d₁は
0.3μｍ〜0.7μｍの範囲にあることが望ましい。Δn₁・
d₁が0.3μｍ以下になると、式（１）で現わされる透光
セグメントの透過率が小さくなり、着色したり非常に暗
くなる。

λ：光の波長また、Δn₁・d₁が大きくなると、後に作用の項でのべ
るように、コントラストの角度依存性が低下するため、
0.7μｍが限度である。実用的な値としては、例えばΔn
₁＝0.087、d₁＝5.5μｍであり、Δn₁・d₁＝0.48μｍで
ある。この場合の光学素子のΔn_c・d_cは、絶対値で0.24
〜0.72μｍが望ましい。

光学素子としては、結晶を切断、研磨して用いてもよ
く、またプラスチックフィルムで上述の光学異方性をも
つものを選択して用いると、大きな面積のものが安価に
得ることができる。この目的には、ポリサルホン、ポリ
カーボネイト、ポリエーテルサルホン、三酢酸セルロー
ズ、アクリル等のフィルムが用いられる。これらのフィ
ルムは、キャスティング、押し出し等の成形時に熱によ
って生じる歪のため、面内方向と面垂直方向に複屈折を
もつ。特定の熱処理によって、上述の光学異方性を付与
できる。また、単独で用いてもよく、上述の光学異方性
を全体としてもつように、同種、又は異種のフィルムを
数枚重ね合わして用いてもよい。

この光学素子は、水平方向の面内での屈折率の差は少
ないほどよく、垂直方向との屈折率の差の1/5以下、特
に、1/10以下とされることが望ましい。

このため、水平方向の面内の屈折率の差がある場合に
は、これを２枚以上に分割し、これらを相互に直交する
ように配置して、水平方向の面内での屈折率の差を打ち
消すようにすることが好ましい。

また、同様の効果を得る方法としては、第２図に示す
ように、前述の光学異方性を示す単結晶を基板上に所定
の厚みまで育成して光学素子を形成してもよい。また、
プラスチック等を塗布して同様の効果を得ることができ
る。

また、第３図に示すように、前述の光学異方性を示す
材料を直接基板として用いてもよい。この際に使用する
基板としては、ガラス、プラスチック等の材料を、熱処
理あるいは化学的処理等で内部応力を発生させ、光弾性
効果によりできる複屈折を利用し、同様の効果を得るこ
ともできる。また、第４図に示すようにこれらの光学素
子を、偏光膜の支持体として使用して光学素子付偏光膜
10A,10Bとしてもよい。第3,4図においては２枚の基板と
してまたは２枚の偏光膜の支持体として光学素子を用い
た例を示したが、この際の厚みは、２枚の合計の厚みが
前述の範囲内にはいるようにする。もちろん一方にのみ
用いてもよいことは明らかである。光学素子の光軸の方
向については、液晶層に充分電界が印加でき、液晶分子
が基板に対しほぼ垂直まで立ち上っている場合には、基
板に対して垂直でよいが、マルチプレックス駆動、その
他駆動回路上の制限により充分高い電圧が印加できない
場合には、光軸を傾ける方が好ましい。ただし、この角
度が30゜以上になる場合には、遮光セグメントの着色が
激しくなり、コントラストを充分に高いものが得られな
いので避ける。また、その配置方向としては、液晶セル
の主視角方向と、光学素子の光軸の傾き方向とを一致す
るように配置する。

配向膜は、ポリイミド、ポリアミド、ポリビニルアル
コール等の有機高分子、SiO₂、TiO₂、Al₂O₃等の無機材
料による膜をラビングしたり、斜め蒸着したりした液晶
を配向させる配向膜であればよく、必要に応じて、１層
でも良いし、２層としてもよい。

本発明の遮光膜は、液晶セルの内面に設けてもよい
し、外面に設けてもよく、その光透過率は0.02〜1.0％
程度とされる。もっとも、液晶セルの内面側に遮光膜を
形成する方が斜め方向から見た場合に表示パターンと遮
光膜との位置ずれを生じにくく好ましい。

この遮光膜は、表示の背景部に形成されるものであ
り、通常は一方の基板にのみ形成されればよい。もちろ
ん両方の基板に分割して形成されてもよいが、一方の基
板に形成するほうが工程が少なく生産性がよい。

この遮光膜は、透明電極と絶縁膜を介してアルミ、ニ
ッケル、クロム等の金属性遮光膜を蒸着、メッキ等で形
成したり、カーボンペースト等の遮光性インクを印刷等
で形成したりして形成されればよい。

シール材は、通常のエポキシ樹脂、シリコン樹脂等の
シール材でよく、通常はその一部に開口部を形成してお
き、セル化して後、その開口部から液晶を注入し、その
開口部を封止すればよい。

注入する液晶は、通常のネマチック液晶でよく、通常
はほぼ90゜のねじれを有しているが、前述の如く、270
゜や450゜ねじれとなるようにカイラル物質を添加して
あってもよい。

このほか、カラーフィルター層を基板の内面または外
面に形成したり、基板を偏光膜基板としたり、基板の外
面にタッチスイッチ、紫外線カットフィルター、無反射
フィルターを積層したりしてもよく、本発明の効果を損
しない範囲内で通常の液晶表示素子に適用しうる技術を
適用してもよい。

本発明では、全体としてはネガ型表示であるが、電極
への電圧の印加は、ポジ型表示と同様に行う。

即ち、表示部分のうち、光を透過させる透光セグメン
トにおいては、液晶分子が立ち上るしきい値以下の電圧
を印加し、遮光セグメントにおいては、しきい値電圧以
上の電圧を印加する。電圧の印加の方法については、各
セグメントを個別駆動してもよいし、また複数のセグメ
ントを共通の信号で駆動するマルチプレックス駆動を用
いてもよい。

通常は、裏面の偏光膜の背後に、照明手段を設けて使
用するが、背後に反射板を設置し、正面からの光を利用
して表示を行なってもよい。また照明手段と、半透過半
反射板を設置し、背面と正面の両方の光を利用する装置
としても本発明は適用できる。

また、液晶中にネガ型、あるいはポジ型の二色性色素
を添加することでさらに高いコントラストを広い視野角
で得ることができる。

［作用］本発明における光学素子の役割を説明する前に、従来
例における遮光セグメント部において、低角度から見た
場合に光がもれコントラストが低下する理由を説明す
る。

第５図（ａ）に示すように、ｚ軸を基板垂線方向、２
枚の偏光膜の偏光軸11A,11Bをそれぞれ、ｙ軸、ｘ軸方
向とする。充分に電界が印加された状態では液晶分子は
ほぼｚ軸方向に向いている。この液晶中を第５図（ｂ）
で示される角度で光が進む場合の光の透過率を計算す
る。液晶の屈折率を分子軸方向でn_e、分子軸に直角方向
でn_o（n_e＞n_o）とすると、Δｎはとなる。この複屈折によって生じる位相差は、液晶層の
厚さをd₁としてとなり、この場合の透過率はＩ＝sin²2Ψsin²（α/2） −−−（４）となる。θ＝０においては、Δｎ＝０であるため複屈折
性を示さないがθが大きくなるに従い、Δｎは大きくな
り、透過率が増す。この現象はΨ＝45゜、135゜、225
゜、315゜で最も顕著になる。

この複屈折をなくすには、（３）式の位相を打ち消す
位相差を加えてやればよい。この位相差を与える位相板
として、光学異方性が液晶と逆の符号をもつ結晶等の位
相板を光軸方向に切り出したものを用いる。この光学素
子の常光、異常光の屈折率をn_o′、n_e′とし、Δn_c＝
n_o′−n_e′とすると、その厚みをd_cとした場合、第５図
（ｂ）で示される角度方向において生じる位相差βはとなる。（θも屈折率の大きさにより変化するが、変化
は小さいとして無視した。）α＝βとなるには Δn_cd_c＝Δn₁d₁ −−−（７）となればよい。この場合には、ある一定角度における液
晶層のつくる位相差αと光学素子のつくる位相差βが大
きさにおいてほぼ等しく、その消光方向は同じである
が、早い軸と遅い軸が逆になるため、位相はお互いに打
ち消し合い、複屈折性を示さなくなる。その差が位相差
の半分を越えると、その効果は小さくなる。すなわち、の範囲に入っていることが望ましい。

上記式では、光学素子の水平方向の面内での屈折率を
一定とした好ましい例で示したが、３方向で屈折率が異
なる。即ち、水平方向での方向によって屈折率が異なる
場合には完全な補正はできないが、前述の如く屈折率が
最大または最小の方向を垂直方向とすることにより、か
なりの補正が可能となる。

液晶分子が充分立ち上がらない電圧で駆動する場合に
おいても電圧印加時の液晶分子の平均的な光軸方向と、
光学素子の光軸方向を一致させるように配置すれば、同
様に広い角度で高いコントラストをもつ表示装置が得ら
れる。

［実施例］（比較例）第１図で光学素子８のみを除いた構成で、液晶として
Δn_z＝0.087のメルク社製ZLI−2978−000、偏光膜とし
て日東電工社製Ｇ−1220Du、セル間隙は5.7μｍ、従っ
てΔn₁・d₁＝0.50μｍとした。

遮光膜はセル内面に形成し、カーボンインクによる印
刷で厚さ約２μｍ、光の透過率約0.3％とした。また、
駆動電圧は10Vとした。この素子においてコントラスト
比200以上を示す角度は、中心から視角方向で30゜ま
で、反視角方向で８゜、左右方向は15゜程度までであっ
た。これ以上の低角度では、遮光膜部分より遮光セグメ
ント部の透過率が高くなり、表示品位がおちるととも
に、表示内容を見誤まる恐れがある。

実施例１比較例と同様のセルを用い、偏光膜と基板との間に、
0.19mm厚の三酢酸セルローズのフィルム（富士写真フィ
ルム社製：商品名「フジタック」）を３枚、光学弾性軸
と偏光軸が平行になるように配置した。三酢酸セルロー
ズの複屈折を測定するた、面垂直方向と面内方向では８
×10^-4、面内の２方向間では８×10^-5の複屈折を示し、
二軸性の光学異方性をもつことがわかった。３枚の光学
素子のΔn_c・d_cは0.456μｍとなり、Δn₁・d₁とほぼ等
しくなる。その屈折率は面垂直方向で1.4789、面内方向
では1.4797であり、面垂直方向の屈折率が最も小さい。

このセルを10Vで駆動したところ、コントラスト比200
以上を示す角度は中心から視角方向30゜まで、反視角方
向で10゜までと比較例とほぼ同じであるが、左右は30゜
まで開がり視認性が改良された。

実施例２比較例と同様のセルを用い、偏光膜と基板との間に、
厚さ70μｍのポリサルホンのフィルム（東レ社製トレス
ロン−PS）を４枚、光学弾性軸と偏光軸が平行になるよ
うに配置した。

このセルを10Vで駆動したところ、コントラスト比200
以上を示す角度は中心から視角方向30゜、反視角方向で
10゜までと比較例とほぼ同じであるが、左右は25゜まで
ひろがり視認性が改良された。

このポリサルホンフィルムを偏光顕微鏡によるコノス
コープ像を用いて観察したところ、負に二軸性の光学異
方性をもち、屈折率の最も小さい軸をフィルム面垂直方
向に向けていることがわかった。

実施例３比較例と同様のセルを用い、偏光膜と基板との間に、
0.35mm厚の三酢酸セルロースフィルム（富士写真フィル
ム社製：商品名フジタック）を２枚配置した。このフィ
ルムは、面内方向に１×10^-5の複屈折をもつが、２枚の
フィルムの屈折率の大きい軸がお互いに直交するように
重ね合わすと、ほぼ一軸性の光学異方性を示し、面内方
向と垂直方向のみに、6.4×10^-4の大きさの複屈折率を
示し、面垂直方向の屈折率が最も小さい。Δn_c・d_cは２
枚のフィルムを合せて0.45μｍとなる。

このセルを10Vで駆動したところ、実施例１と同様の
視認性をもち、比較例に比べて著しく改良されているこ
とが確認された。

［発明の効果］本発明では、液晶層の示す複屈折性によって生じる光
学的位相差を光学素子によって打ち消すことにより、極
めて高いコントラストによる表示を広い角度範囲におい
て得ることができる。また、表示色もポジ型駆動のた
め、角度変化が少ないという効果もあり、一枚の表示パ
ネルにおいて、多種の色を表示させることが可能であ
る。このことにより、広い角度範囲で極めてよい視認性
をもつ表示が可能である。

また、本発明は、透過型表示のみならず反射型表示に
おいてもよい視認性を示すことにより外光が充分明るい
場合においても使用が可能であり、背景照明の輝度を下
げても視認性がよいことから、表示装置を小型にできる
という効果もある。

また、偏光膜の支持体として光学素子を用いた場合、
従来のものに比べ、耐湿性がよくなり信頼性が高まると
いう効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の基本的例の断面図である。第２図は、第３図、第４図は本発明の他の実施例の断面
図である。第５図は、本発明の効果を説明する斜視図である。基板:1A、1B 電極:2A、2B 配向膜:3A、3B 遮光膜:4 シール材:5 液晶層:6 偏光膜:7A、7B 光学素子:8 光学素子基板:9A,9B 光学素子付偏光膜:10A,10B 偏光軸:11A,11B

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−146224（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−143305（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−159116（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電極を設けた基板間にネマチック液晶層を
挟持し、表示パターンに対応する部分以外には遮光膜を
設け、液晶セルの両面に偏光膜を偏光軸を電圧無印加部
分で光が透過してくるように一対の偏光膜を配置し、所
望の表示パターン以外の表示パターン部分の電極に前記
ネマチック液晶が励起する以上の電圧を印加するネガ型
表示の液晶表示装置において、一対の偏光膜の間に、光
学弾性軸の３方向のうち、最も屈折率の小さい値を示す
方向を基板垂直方向に向けた光学素子を配置し、前記光
学素子の光学異方性（Δn_c）と厚み（d_c）の積Δn_c・d_c
が前記ネマチック液晶の光学異方性（Δn₁）と厚みd₁の
積Δn₁・d₁に対し、その絶対値において比率が0.5〜1.5
の範囲とされたことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】ネマチック液晶がほぼ90゜ねじれとされ、
一対の偏光膜がほぼその偏光軸が直交するように配置さ
れている特許請求の範囲第１項記載の液晶表示装置。
【請求項３】前記光学素子が二軸性の光学異方性を示
し、光学弾性軸の基板垂直方向以外の二軸が前記偏光膜
の偏光軸とほぼ平行である特許請求の範囲第１項記載の
液晶表示装置。
【請求項４】Δn₁・d₁とΔn_c・d_cがほぼ等しく設けられ
た特許請求の範囲第１項記載の液晶表示装置。
【請求項５】裏側の偏光膜の背後に、照明手段を設けた
特許請求の範囲第１項記載の液晶表示装置。
【請求項６】ネマチック液晶に二色性色素を添加した液
晶を使用する特許請求の範囲第１項記載の液晶表示装
置。