JP3546879B2

JP3546879B2 - 液晶表示素子

Info

Publication number: JP3546879B2
Application number: JP2002227518A
Authority: JP
Inventors: 治奥村; 和貴唐澤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2002-08-05
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2019-07-28
Also published as: JP2003098353A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＴＦＴやＭＩＭ素子を各画素に設けたアクティブマトリックス型の液晶表示素子は、この数年の技術進歩で１４〜１７インチといった大型ディスプレイも作成されるようになり、コンピュータ端末や壁掛けＴＶへの応用が期待されている。
【０００３】
しかしながら画面の大型化とともに、その表示性能、特に視角特性に対する不満も大きくなっている。その原因は、主として従来の液晶表示素子が採用してきたツイステッドネマチック（以下ＴＮと呼ぶ）という液晶ディスプレイモード自体にある。
【０００４】
従来のＴＮ型液晶表示素子は、図１４に示すように、上側偏光板１、液晶セル３、下側偏光板５、液晶セルの上基板６、下基板７、透明電極８、ネマチック液晶９で構成される。またその各軸の関係は、図９に示すように上側偏光板１の偏光軸（以下偏光軸は透過軸を指すことにする）方向を１１、液晶セルの上基板６の液晶配向方向を１２、液晶セルの下基板７の液晶配向方向を１３、下側偏光板５の偏光軸方向を１４、１１が１２となす角度を２１、１２と１３から決まるネマチック液晶９のねじれ角を２２、１４が１３となす角度を２３とすると、角度２１と角度２３はそれぞれ約０度に、また角度２２は約９０度に設定されていた。
【０００５】
このとき従来のＴＮ型液晶表示素子は図４に示すような電圧透過率特性を示す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記構成を取る従来のＴＮ型液晶表示素子には、良好に表示が認識できる視角範囲が狭いという課題があった。図１５に従来のＴＮ型液晶表示素子に５ボルト印加した状態をオン状態、１ボルト印加した状態をオフ状態として駆動したときの視角特性を示す。ここで図の中央が基板法線方向、それをとりまく６つの同心円は内から順に、法線方向からの傾き角１０度、２０度、３０度、４０度、５０度、６０度の方向を示している。また４１、４２、４３、４４、４５、４６はそれぞれコントラスト比１：１、１：３、１：１０、１：３０、１：１００、１：３００の等コントラスト曲線である。このように従来のＴＮ型液晶は、視角によってその特性が大きく変化する。この図からは読み取れないが、上方向から見たときには反転というやっかいな現象が生じる。反転現象とは、電圧上昇に伴って透過率がいったん暗くなったのち再び明るくなるため、中間調を表示した際、より暗く表示すべきところが明るくなってしまう現象である。
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するもので、その目的とするところは、高分子フィルムを視角補償板として用いることによって、視角特性に優れた液晶表示素子を提供するところにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の液晶表示素子は、一対の基板間にねじれ角が約９０度の液晶が挟持されてなる液晶セルと、少なくとも1枚の高分子フィルムと、偏光板とを有してなる液晶表示素子において、前記高分子フィルムは、前記高分子フィルムの法線方向に光軸を持つ負の光学異方体でなり、前記高分子フィルムを、前記高分子フィルムの光軸が前記基板の法線方向に対して傾けるように配置したことを特徴とする。
【００１０】
また、前記偏光板の透過軸が、隣接する、あるいは高分子フィルムを挟んで隣接する液晶セル基板の配向処理方向と直角になるように配置したことを特徴とする。
【００１１】
また、前記液晶セルの液晶のねじれ角が約０度であることを特徴とする。
【００１２】
また、前記液晶表示素子が、電圧無印加時に明表示、電圧印加時に暗表示を行うことを特徴とする。
【００１３】
また、前記液晶のプレチルト角が５度以上であることを特徴とする。
【００１４】
また、前記液晶セルの少なくとも一方の基板と液晶とのアンカリング・エネルギーが、１×１０^−４Ｊ／ｍ^２以下であることを特徴とする。
【００１５】
また、前記液晶セルを駆動する際に、オン時の実効電圧を液晶セルのしきい値電圧の４倍以上に設定したことを特徴とする。
【００１６】
また、前記高分子フィルムの△ｎの波長分散値νを、液晶のそれよりも小さくしたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明の実施例１における液晶表示素子は、図１に示すように、上側偏光板１、高分子フィルム２、液晶セル３、下側偏光板５、液晶セルの上基板６、下基板７、透明電極８、ネマチック液晶９で構成される。またその各軸の関係は、図２に示すように上側偏光板１の偏光軸（吸収軸）方向を１１、液晶セルの上基板６の液晶配向方向を１２、液晶セルの下基板７の液晶配向方向を１３、下側偏光板５の偏光軸方向を１４、１１が１２となす角度を２１、１２と１３から決まるネマチック液晶９のねじれ角を２２、１４が１３となす角度を２３とすると、角度２１と角度２３はそれぞれ９０度に、また角度２２も９０度に設定する。
【００２０】
ネマチック液晶９には、メルク社製の液晶ＺＬＩ−４３９３にＢＤＨ社製のカイラルドーパントＣＢ−１５を０．１ｗｔ％添加して用いた。ＺＬＩ−４３９３の複屈折△ｎは０．０８５１、セルギャップｄは４．７μｍであるので、△ｎ×ｄは０．４０μｍになる。液晶はポリイミドの配向膜を用い、プレチルト角１度以下でホモジニアス配向させた。一方高分子フィルム２はポリカーボネート製の負の光学的異方体であり、図３に模式的に示したような屈折率楕円体を持つ。即ちフィルム面３２の法線方向の屈折率をｎ_ｚ、これに垂直で互いに直交する２方向の屈折率をｎ_ｘ、ｎ_ｙとすると、ｎ_ｚ＜ｎ_ｘ＝ｎ_ｙの関係にある碁石型の形状を有する。ここで用いたフィルムは、ｎ_ｘ＝１．５８８、ｎ_ｙ＝１．５８８、ｎ_ｚ＝１．５８５、フィルム厚ｄ＝１００μｍであり、（ｎ_ｘ−ｎ_ｚ）×ｄ＝０．３μｍと、液晶セルの△ｎ×ｄよりも若干小さめに設定した。
【００２１】
以上のようにして作成した本発明の実施例１における液晶表示素子の電圧透過率特性を図４に示す。電圧無印加時に白く、また電圧印加時に黒くなる、いわゆるノーマリホワイト表示となっている。透過率が１０％変化した電圧で定義されるしきい値電圧は、１．４５ボルトである。
【００２２】
この液晶セルに７ボルト印加した状態をオン状態、１ボルト印加した状態をオフ状態として駆動したときの、視角特性を図５に示す。コントラストを取るだけならば、５ボルトも印加すれば充分であるが、７ボルト印加することによって液晶が基板にほぼ垂直に立ち上がり、高分子フィルムによる視角補償がより効果的となる。この視角特性を図１５に示した従来のＴＮ型液晶の視角特性と比較すると、１：３０の等コントラスト曲線４４で左右に±２０度以上広がっていることがわかる。上下方向も従来のように上に狭すぎるということ無く、バランスの良い特性を示している。またこの図からは読み取れないが、中間調の反転も起こりにくくなった。
【００２３】
（実施例２）
実施例２のセル構成、軸関係等は図１、図２に示した実施例１と同様であるが、液晶分子のプレチルト角を１０度に設定した点だけが異なる。プレチルト角が高くなった分、しきい値電圧が０．３ボルト下がり、オン印加電圧を６ボルトにしても、実施例１と同等の広視角が得られるようになった。
【００２４】
ＴＮ型液晶のプレチルト角は従来５度以下であったが、視角補償板を備える場合にはプレチルト角を大きく設定した方が、視角を広げる点で有利である。
【００２５】
（実施例３）
実施例３のセル構成、軸関係等は図１、図２に示した実施例１と同様であるが、配向膜としてＳｉＯの斜方蒸着膜を用いた点だけが異なる。これにより液晶分子と配向膜のアンカリング・エネルギーが約４×１０^−５Ｊ／ｍ^２となった。これは配向膜として、通常のポリイミドやポリビニルアルコールを用いた場合の１×１０^−３Ｊ／ｍ^２以上という値と比べて非常に小さな値である。基板近傍の液晶分子は、通常かなり高い電圧を印加しないと動かないが、アンカリング・エネルギーが４×１０^−５Ｊ／ｍ^２程度だとわずか数ボルトで動き出す。従って、実施例１ではオン印加電圧を７ボルトに設定したが、実施例３ではわずか５．５ボルトで同等の広視角が得られる。アンカリング・エネルギーを小さくする方法としては、他にＬＢ膜を配向膜として用いたり、透明電極表面を直接ラビングする方法が知られており、これらもそのアンカリング・エネルギーに応じた効果がある。
【００２６】
（実施例４）
実施例４のセル構成、軸関係等は図１、図２に示した実施例１と同様であるが、高分子フィルムとして図３のような形状の屈折率楕円体ではなく、図６のような形状のものを採用した点が異なる。これはやはりポリカーボネート製の負の光学的異方体であり、ｎ_ｚ＜ｎ_ｘ＝ｎ_ｙの関係は同じであるが、光軸がフィルム面３２の法線方向から５度傾き、電圧印加時の液晶セルの液晶のダイレクターの平均方向とほぼ平行になっている。液晶セルの液晶はしきい値電圧の４倍程度の電圧では完全に立ち上がっているわけではないので、このように高分子フィルムの屈折率楕円体を液晶に合わせて傾ければ、より完全な視角補償ができる。
【００２７】
なお図６のように屈折率楕円体３１をフィルム面３２に対して傾ける方法以外に、図３のフィルムを液晶セル基板に対して傾けてもよい。直視型のディスプレイでは、スペースの関係でこのような配置は困難であるが、投写型のディスプレイでは有効な手段である。
【００２８】
（実施例５）
本発明の実施例５における液晶表示素子は、図７に示すように、上側偏光板１、高分子フィルム２、液晶セル３、高分子フィルム４、下側偏光板５、液晶セルの上基板６、下基板７、透明電極８、ネマチック液晶９で構成される。またその各軸の関係、液晶セルの諸条件は、図２に示した実施例１の場合と同様である。
【００２９】
実施例５においては、上下２枚の高分子フィルムを用いたが、いずれもポリカーボネート製の負の光学的異方体で、ｎ_ｘ＝１．５８８、ｎ_ｙ＝１．５８８、ｎ_ｚ＝１．５８５、フィルム厚ｄ＝５０μｍで、（ｎ_ｘ−ｎ_ｚ）×ｄの和は０．３μｍである。
【００３０】
この液晶表示素子の電圧透過率特性も、図４に示した実施例１の場合と同様である。この液晶セルに７ボルト印加した状態をオン状態、１ボルト印加した状態をオフ状態として駆動したときの、視角特性を図８に示す。上下２枚の高分子フィルムを用いることによって、１枚だけ用いた実施例１よりも広く、左右対称にな視角特性が得られている。
【００３１】
（実施例６）
実施例６のセル構成、軸関係等は図１、図２に示した実施例１と同様であるが、高分子フィルム２にポリビニルアルコールを用いた点だけが異なる。ポリビニルアルコールは、実施例１で用いたポリカーボネートに比べて複屈折△ｎの波長分散が小さい。ここで△ｎの波長分散値νを、波長４６０ｎｍの光に対する△ｎと波長５９０ｎｍの光に対する△ｎを用いて、ν≡△ｎ（４６０ｎｍ）／△ｎ（５９０ｎｍ）で定義する。ポリビニルアルコールのν値は１．００５、ポリカーボネートのν値は１．０９５である。ポリビニルアルコールを用いたときの視角特性は、等コントラスト曲線で描くと、図５に示した実施例１の場合とほぼ同様であるが、視角による黄色い色付きが低減される点で、より優れている。液晶ＺＬＩ−４３９３のν値が１．０８５であるが、液晶よりも小さな波長分散値を有する高分子を用いれば、このように視角による色付きを減らす効果がある。
【００３２】
（実施例７）
実施例７のセル構成等は図１に示した実施例１と同様であるが、軸関係だけが異なる。実施例７の各軸の関係は、図９に示すように上側偏光板１の偏光軸（吸収軸）方向を１１、液晶セルの上基板６の液晶配向方向を１２、液晶セルの下基板７の液晶配向方向を１３、下側偏光板５の偏光軸方向を１４、１１が１２となす角度を２１、ネマチック液晶９のねじれ角を２２、１４が１３となす角度を２３とすると、角度２１と角度２３はそれぞれ０度に、また角度２２を９０度に設定した。
【００３３】
この液晶表示素子の電圧透過率特性も、図４に示した実施例１の場合と同様である。この液晶セルに７ボルト印加した状態をオン状態、１ボルト印加した状態をオフ状態として駆動したときの、視角特性を図１０に示す。偏光板の軸方向を隣接する液晶セル基板の配向処理方向に平行にすることによって、垂直に設定した実施例１の図５の視角特性よりも、若干狭くなった。しかしながらそれでも従来の図１５の視角特性よりは広い視角特性が得られている。
【００３４】
（実施例８）
実施例８のセル構成等は図１に示した実施例１と同様であるが、上下の偏光板を平行に配置した点だけが異なる。このように配置すると、電圧無印加時に黒く、また電圧印加時に白くなる、いわゆるノーマリブラック表示となる。このような配置にしても視角拡大の効果はあるが、それはノーマリホワイト表示の場合ほど大きくない。なぜならば、本発明で用いる視角補償板は、高電圧が印加されて液晶が立ち上がった状態を補償するものであるから、電圧印加時に黒い方が広い視角範囲で高コントラストが得られやすいからである。
【００３５】
（実施例９）
実施例９のセル構成、軸関係等は図１、図２に示した実施例１と同様であり、電圧透過率特性も図４と同様であるが、液晶セルに５ボルト印加した状態をオン状態とした点が異なる。このときの視角特性を図１１に示す。実施例１のオン状態では７ボルト印加していたが、この電圧を下げることによって、実施例１の図５の視角特性よりも、若干狭くなった。しかしながらそれでも従来の図１５の視角特性より広い視角特性が得られており、高い電圧を印加しなくとも、視角拡大の効果がある。なお、高い電圧が印加できないときには高分子フィルムの（ｎ_ｘ−ｎ_ｚ）×ｄの値を小さく設定する方が望ましい。
【００３６】
（実施例１０）
実施例１０のセル構成、軸関係等は図１、図２に示した実施例１と同様であるが、高分子フィルムの（ｎ_ｘ−ｎ_ｚ）×ｄの値を０．５μｍと、液晶の△ｎ×ｄよりも大きく設定した点が異なる。このようにしても、視角特性は改善されるが、その効果は小さい。高分子フィルムの（ｎ_ｘ−ｎ_ｚ）×ｄ値は、液晶の△ｎ×ｄ値と同等あるいは少し小さめに設定するのが最も望ましく、液晶の△ｎ×ｄ値の２倍以上に設定することは意味がない。
【００３７】
（実施例１１）
以上の実施例においては、ＴＮ型液晶表示素子を例にとって説明したが、本発明はＴＮ型液晶に限定されるものではなく、正の誘電異方性を有するネマチック液晶を用いる他の多くの液晶表示素子にも応用できるものであって、良く知られているＥＣＢ型液晶やＳＴＮ型液晶でも同様の効果がある。実施例１１ではＥＣＢ型液晶の例を挙げよう。
【００３８】
実施例１１のセル構成は図７に示した実施例５の場合と同様である。各軸の関係は、図１２に示すように上側偏光板１の偏光軸（吸収軸）方向を１１、液晶セルの上基板６の液晶配向方向を１２、液晶セルの下基板７の液晶配向方向を１３、下側偏光板５の偏光軸方向を１４、１１が１２となす角度を２１、１２と１３から決まるネマチック液晶９のねじれ角を２２、１４が１３となす角度を２３とすると、角度２１と角度２３はそれぞれ右４５度に、また角度２２は０度に設定する。
【００３９】
ネマチック液晶９には、メルク社製の液晶ＺＬＩ−４３９３にカイラルドーパントを添加せずに用い、セルギャップｄが３．２μｍのセルに注入した。△ｎ×ｄは０．２７μｍになる。２枚の高分子フィルムは実施例５と同様の、ｎ_ｘ＝１．５８８、ｎ_ｙ＝１．５８８、ｎ_ｚ＝１．５８５のポリカーボネート製フィルムを用いるが、いずれもフィルム厚ｄ＝４５μｍ、（ｎ_ｘ−ｎ_ｚ）×ｄ＝０．２４μｍに設定した。
【００４０】
この液晶セルに１５ボルト印加した状態をオン状態、１ボルト印加した状態をオフ状態として駆動したときの、視角特性を図１３に示す。このようにＥＣＢ型液晶を用いてもＴＮ型液晶と同等あるいはそれ以上の広い視角特性を得ることができる。なおＥＣＢ型液晶の場合、高コントラストを得るためにはＴＮ型液晶よりも高い電圧が必要であるため、残留リターデーションを補償するために、高分子フィルムのｎ_ｘとｎ_ｙを等しくせずに（ｎ_ｘ−ｎ_ｙ）×ｄ＝０．０１μｍ程度の小さなリターデーションを残しておくか、あるいは実施例４でも少し言及したようにフィルムをセル基板に対して傾けて配置すると、比較的低電圧でもコントラストが取れるようになる。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、高分子フィルムを視角補償板として用いることによって、視角特性に優れた液晶表示素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１〜４、６〜１０における液晶表示素子の断面図である。
【図２】本発明の実施例１〜６、９、１０における液晶表示素子の各軸の関係図である。
【図３】本発明の実施例１〜３、５〜１１において用いた視角補償を行う高分子フィルムの屈折率楕円体の模式図である。
【図４】本発明の実施例１、５〜７、９、１０および従来の液晶表示素子の、電圧透過率特性を示す図である。
【図５】本発明の実施例１における液晶表示素子の、視角特性を示す図である。
【図６】本発明の実施例４において用いた視角補償を行う高分子フィルムの屈折率楕円体の模式図である。
【図７】本発明の実施例５、１１における液晶表示素子の断面図である。
【図８】本発明の実施例５における液晶表示素子の、視角特性を示す図である。
【図９】本発明の実施例７および従来の液晶表示素子の各軸の関係図である。
【図１０】本発明の実施例７における液晶表示素子の、視角特性を示す図である。
【図１１】本発明の実施例９における液晶表示素子の、視角特性を示す図である。
【図１２】本発明の実施例１１における液晶表示素子の各軸の関係図である。
【図１３】本発明の実施例１１における液晶表示素子の、視角特性を示す図である。
【図１４】従来のＴＮ型液晶表示素子の断面図である。
【図１５】従来のＴＮ型液晶表示素子の、視角特性を示す図である。
【符号の説明】
１上側偏光板
２高分子フィルム
３液晶セル
４高分子フィルム
５下側偏光板
６液晶セル３の上基板
７液晶セル３の下基板
８透明電極
９正の誘電異方性を有するネマチック液晶
１１上側偏光板１の偏光軸方向
１２液晶セルの上基板６の液晶配向方向
１３液晶セルの下基板７の液晶配向方向
１４下側偏光板５の偏光軸方向
２１１１が１２となす角度
２２ネマチック液晶９のねじれ角
２３１４が１３となす角度
３１高分子フィルムの屈折率楕円体
３２高分子フィルムのフィルム面
４１コントラスト比１：１の等コントラスト曲線
４２コントラスト比１：３の等コントラスト曲線
４３コントラスト比１：１０の等コントラスト曲線
４４コントラスト比１：３０の等コントラスト曲線
４５コントラスト比１：１００の等コントラスト曲線
４６コントラスト比１：３００の等コントラスト曲線

Claims

一対の基板間にねじれ角が約９０度の液晶が挟持されてなる液晶セルと、少なくとも1枚の高分子フィルムと、偏光板とを有してなる液晶表示素子において、
前記高分子フィルムは、前記高分子フィルムの法線方向に光軸を持つ負の光学異方体でなり、
前記高分子フィルムを、前記高分子フィルムの光軸が前記基板の法線方向に対して傾けるように配置したことを特徴とする液晶表示素子。
前記偏光板の透過軸が、隣接する、あるいは高分子フィルムを挟んで隣接する液晶セル基板の配向処理方向と直角になるように配置したことを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
前記液晶表示素子が、電圧無印加時に明表示、電圧印加時に暗表示を行うことを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
前記液晶のプレチルト角が５度以上であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
前記液晶セルを駆動する際に、オン時の実効電圧を液晶セルのしきい値電圧の４倍以上に設定したことを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
前記高分子フィルムを、液晶セルの上下に配置することを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
前記高分子フィルムの（ｎ_x−ｎ_z）×ｄの値の和を、液晶セルの△ｎ×ｄの値と同じかそれよりも小さくしたことを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
前記高分子フィルムの△ｎの波長分散値νを、液晶のそれよりも小さくしたことを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。