JP3568641B2

JP3568641B2 - 光学異方素子およびそれを用いた液晶表示素子

Info

Publication number: JP3568641B2
Application number: JP21158095A
Authority: JP
Inventors: 裕行森
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1995-08-21
Filing date: 1995-08-21
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2015-08-21
Also published as: JPH0961624A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示コントラスト、階調特性及び表示色の視角特性の改良された光学異方素子および液晶表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
日本語ワードプロセッサやディスクトップパソコン等のＯＡ機器の表示装置の主流であるＣＲＴは、薄型軽量、低消費電力という大きな利点をもった液晶表示素子に変換されてきている。現在普及している液晶表示素子（以下ＬＣＤと称す）の多くは、ねじれネマティック液晶を用いている。このような液晶を用いた表示方式としては、複屈折モードと旋光モードとの２つの方式に大別できる。
【０００３】
複屈折モードを用いたＬＣＤは、液晶分子配列のねじれ角９０°以上ねじれたもので、急崚な電気光学特性をもつ為、能動素子（薄膜トランジスタやダイオード）が無くても単純なマトリクス状の電極構造でも時分割駆動により大容量の表示が得られる。しかし、応答速度が遅く（数百ミリ秒）、階調表示が困難という欠点を持ち、能動素子を用いた液晶表示素子（ＴＦＴ−ＬＣＤやＭＩＭ−ＬＣＤなど）の表示性能を越えるまでにはいたらない。
【０００４】
ＴＦＴ−ＬＣＤやＭＩＭ−ＬＣＤには、液晶分子の配列状態がほぼ９０°ねじれた旋光モードの表示方式（ＴＮ型液晶表示素子）が用いられている。この表示方式は、応答速度が速く（数＋ミリ秒）、容易に白黒表示が得られ、高い表示コントラストを示すことから他の方式のＬＣＤと比較して最も有力な方式である。しかし、ねじれネマティック液晶を用いている為に、表示方式の原理上、見る方向によって表示色や表示コントラストが変化するといった視角特性上の問題があり、ＣＲＴの表示性能を越えるまでにはいたらない。
【０００５】
ＳＩＤ’９２Ｄｉｇｅｓｔｐ．７９８などに見られるように、画素を分割し、それぞれ電圧印加時のチルト方向を逆向きにして、視角特性を補償する方法が提案されている。この方法によると、上下方向の階調反転に関する視角特性は改善されるが、コントラストの視角特性はほとんど改善されない。
【０００６】
特開平４−２２９８２８号、特開平４−２５８９２３号公報などに見られるように、一対の偏光板とＴＮ液晶セルの間に、位相差フィルムを配置することによって視野角を拡大しようとする方法が提案されている。
【０００７】
上記特許公報で提案された位相差フィルムは、液晶セルの表面に対して、垂直な方向に位相差がほぼゼロのものであり、真正面からはなんら光学的な作用を及ぼさず、傾けたときに位相差が発現し、液晶セルで発現する位相差を補償しようというものである。しかし、これらの方法によってもＬＣＤの視野角はまだ不十分であり、更なる改良が望まれている。
【０００８】
また、特開平４−３６６８０８号、特開平４−３６６８０９号公報では、光学軸が傾いたカイラルネマチック液晶を含む液晶セルを位相差フィルムとして用いて視野角を改良する方法を提案しているが、２層液晶方式となり、コストが高く、軽量化が困難であるという問題点があった。
【０００９】
更に、特開平６−７５１１６号、ＥＰ０５７６３０４Ａ１、および特開平６−２１４１１６号公報において、光学的に負の一軸性を示し、その光軸が傾斜している位相差板を用いることにより、ＴＮ型ＬＣＤの視角特性を改良する方法が提案されている。
これらの方法によれば視野角は従来のものと比べ、改善はされるが、それでもＣＲＴ代替を検討するほどの広い視野角は実現困難であった。
【００１０】
特開平７−１３０２１号、特開平７−１０４２８４号では、負の一軸性で光学軸がねじれた光学異方体によって視野角を改良する方法が提案されている。
【００１１】
しかし、この方法では、白黒表示におけるコントラストから見た視角改良効果は著しかったが、視角による着色については、より高度な補償が必要となっている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＴＮ型液晶セルにおいて、正面コントラストを低下させずに、表示コントラスト、階調特性及び表示色の視角特性の改善された光学異方素子および液晶表示素子を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、以下の手段により達成された。
（１）光学的にほぼ負の一軸性を示す薄膜が連続的に積層された積層体からなり、該薄膜の光学軸が法線方向から傾斜しており、かつ、該薄膜の光学軸の傾斜角が厚み方向で大きくなるかもしくは小さくなるかして変化しており、該薄膜の光学軸が厚み方向でねじれていることを特徴とする光学異方素子。
（２）該光学異方素子の光学軸のねじれ角が３６０°以下であることを特徴とする（１）記載の光学異方素子。
（３）該光学異方素子の６３２．８ｎｍの光における厚み方向レターデーションが５０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下であることを特徴とする（２）記載の光学異方素子。
（４）該光学異方素子の薄膜の光学軸が法線方向からの傾斜角が５°〜９０°であることを特徴とする（３）記載の光学異方素子。
（５）２枚の電極基板間に液晶を挟持してなる液晶セルと、その両側に配置された２枚の偏光素子からなる液晶表示素子において、２枚の偏光素子の間に（１）記載の光学異方素子を少なくとも１枚用いたことを特徴とする液晶表示素子。
（６）該液晶セルがほぼ９０°のねじれ角を有するＴＮ型液晶を液晶セルに用いたことを特徴とする（５）記載の液晶表示素子。
（７）該光学異方素子のねじれ角の合計が１８０°以下であることを特徴とする（６）記載の液晶表示素子。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の液晶表示装置において、より高度に視野角が改良された事については以下のように説明できる。
例えば、本発明の液晶表示素子において、偏光子と検光子の透過軸がほぼ直交しているノーマリーホワイトのモードでは、黒表示部は液晶に電圧が印加されている状態であり、視角を大きくする事に伴って、この黒表示部からの光の透過率が著しく増大し、コントラストの急激な低下を招いている。
この時ＴＮ型液晶セル内部の液晶分子の配列は、近似的に光学軸がセルの法線方向から傾いた状態から、法線方向を向いた状態へ連続的に変化したものと見なす事が出来る。
【００１５】
液晶セル内部の液晶分子を正の一軸性光学異方体と見なせるのであれば、それによる複屈折を補償するためには、同じように、負の一軸性の分子が、セルの法線方向から傾いた状態から、法線方向を向いた状態へ連続的に変化したものを用いる事が必要である。
【００１６】
しかし、ＴＮ型液晶セルの光学異方性を正の一軸性とみなすのはあくまでも近似であり、実際には液晶セルは単純な正の光学異方体ではなく、ねじれ配向しており、チルト角も変化している。したがって、光軸が傾斜した負の一軸性光学異方体で補償することはおのずと限界がある。本発明者は、鋭意検討した結果、更に大幅な視角特性改善をし、ＣＲＴ代替の可能性を切り開くためには、負の一軸性の薄膜を、黒表示での液晶セル中の液晶の配向とちょうど対応するように積層した光学異方体を用いることによって実現できることを突き止めた。本発明により、コントラストのみならず階調反転、着色について視角特性の大幅な改善を実現できた。
【００１７】
本発明における光学異方素子は光学軸の方向が異なる薄膜の積層体からなる。ここでいう積層体とは、光学軸の方向が同一である薄膜を２枚以上積層したものである。
【００１８】
本発明における光学異方素子の光学軸は法線方向から５°〜９０°傾いていることが好ましい。また、該薄膜の光学軸の傾斜角は厚み方向に大きくなるかもしくは小さくなるかして変化していることが好ましい。
【００１９】
本発明における光学異方素子の光学軸はねじれていることが好ましい。該光学異方体の光学軸のねじれ角は３６０°以下であることが好ましい。更には、１８０゜以下であることが好ましい。また、ＴＮ型液晶表示素子においては、該光学異方体の光学軸のねじれ角の合計が、１８０°以下であることが好ましい。更には、該光学異方体の光学軸のねじれ角の合計が、液晶セルにおける液晶のねじれ角とほぼ等しいか、または小さいことが好ましい。例えば、ねじれ角が２４０°であるＳＴＮ型液晶セルにおいては、該光学異方体の光学軸のねじれ角の合計が２４０°以下、ねじれ角が９０°であるＴＮ型液晶セルにおいては、該光学異方体の光学軸のねじれ角の合計が９０°以下であることが好ましい。
【００２０】
本発明における負の一軸性とは、光学異方体の薄層の３軸方向屈折率を、その値が小さい順にｎ１、ｎ２、ｎ３としたとき、ｎ１＜ｎ２＝ｎ３の関係を有するものである。従って光学軸方向の屈折率が最も小さいという特性を有するものである。ただし、ｎ２とｎ３の値は厳密に等しい必要はなく、ほぼ等しければ十分である。具体的には、
｜ｎ２−ｎ３｜／｜ｎ２−ｎ１｜≦０．２
であれば実用上問題はない。
【００２１】
本発明における光学異方体の厚み方向レターデーションとは、光学特性が均一だと見なせる薄層の厚み方向レターデーションを合計したものである。薄層の厚み方向レターデーションとは、薄層の厚みをｄとしたときに、
｛（ｎ２＋ｎ３）／２−ｎ１｝×ｄ
で表される。本発明においては、光学異方体の厚み方向レターデーションは、６３２．８ｎｍの光において、５０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下であることが好ましい。ＴＮ型液晶表示素子においては、該光学異方体の厚み方向レターデーションの合計が、１００ｎｍ以上、６００ｎｍ以下であることが好ましく、更に１００ｎｍ以上、３００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
本発明の光学的にほぼ負の一軸性を示す薄膜に使用される素材は特に制限はないが、各種高分子素材、液晶、または、それらのブレンド物などが好適に利用される。これらの中では、液晶、特に、ディスコティック液晶を用いることが好ましい。ここでいうディスコティック液晶は、熱、光等で反応する基を有しており、結果的に反応により重合または架橋し、高分子量化し液晶性を失ったものも含まれるものとする。また、液晶性高分子を用いても構わない。
【００２３】
本発明の光学的にほぼ負の一軸性を示す薄膜の積層体は、単独で用いられても良いし、支持体に塗設されて用いられても構わない。支持体として用いられる素材に関しては、特に限定はないが、各種高分子素材から成るフィルムなどが好適に利用される。このような高分子フィルムは、光透過率が８０％以上であり、正面での光学特性が等方性に近いことが好ましい。従って、ゼオネックス（日本ゼオン）、ＡＲＴＯＮ（日本合成ゴム）、フジタック（富士写真フイルム）などの商品名で売られている固有複屈折率が小さい素材が好ましい。しかし、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォンなどの固有複屈折率が大きい素材であっても製膜時に分子配向を制御することによって光学的に等方性にすることも可能であり、それらも好適に利用できる。
【００２４】
該光学異方素子を２枚の偏光素子の間に１枚装着した液晶表示素子においては、該光学異方素子の光学軸のねじれ角が液晶セルのねじれ角とほぼ等しいか小さく、ねじれ方向が逆であることが好ましい。更に、該光学異方素子の液晶セルに近い側の薄層の光学軸の方位角と、該光学異方素子に隣接した液晶セル基板上の液晶の光学軸の方位角とが、ほぼ同じ方向であることが好ましい。ここでは、２つの光学軸の方位角がほぼ同じ方向であるとは、２つの光学軸の方位角同士のなす角が０゜以上、４５゜以下であることを言う。
【００２５】
該光学異方素子を２枚、液晶セルを挟むように装着した場合では、該光学異方素子の光学軸のねじれ角の合計が液晶セルのねじれ角とほぼ等しいか小さく、ねじれ方向が逆であることが好ましい。更に、２枚の光学異方素子ともに、該光学異方素子の液晶セルに近い側の薄層の光学軸の方位角と、該光学異方素子に隣接した液晶セル基板上の液晶の光学軸の方位角とが、ほぼ同じ方向であることが好ましい。
【００２６】
【実施例】
以下実施例によって詳細に説明する。
実施例１
ゼラチン薄膜（０．１μｍ）を塗設したトリアセチルセルロースの１００μｍ厚フィルム（富士写真フイルム（株）製）上に長鎖アルキル変性ポバール（クラレ（株）製ＭＰ−２０３）を塗布し、温風にて乾燥させた後、ラビング処理を行い配向膜を形成した。面内の主屈折率をｎｘ、ｎｙ、厚さ方向の屈折率をｎｚ、厚さをｄとした時、トリアセチルセルロースフィルムは、｜ｎｘ−ｎｙ｜×ｄ＝５ｎｍ、｛（ｎｘ＋ｎｙ）／２−ｎｚ｝×ｄ＝４０ｎｍであり、ほぼ負の一軸性であり、光軸がほぼフイルム法線方向にあった。
【００２７】
この配向膜上に下記ディスコティック液晶（ＴＥ−１またはＴＥ−２）１．６ｇ、フェノールＥＯ変成（ｎ＝１）アクリレート（Ｍ−１０１東亜合成）０．４ｇ、イルガキュアー９０７０．０１ｇ、セルロースアセテートブチレート（ＣＡＢ５３１−１イーストマンケミカル添加量を変化させる）を４０ｇのメチルエチルケトンに溶解した塗布液を表１のように調液する。
【００２８】
【表１】

【００２９】
まず、Ａ−１液を＃３のワイヤーバーで塗布し、金属の枠に貼り付けて１２０℃の高温槽中で３分間加熱し、ディスコティック液晶を配向させた後、１２０℃のまま高圧水銀灯を用いて１分間ＵＶ照射し、室温まで放冷した。
再びＭＰ−２０３を塗布し、温風にて乾燥させた後、右ねじれとなるように方向を１０゜ずらしてラビング処理を行い、Ａ−２液を同様に塗布し、加熱、ＵＶ処理し、室温に放置する。その後、順次、ＭＰ−２０３層を塗布後、右ねじれとなるように１０゜ずらしてラビング処理し、Ａ−３液を塗布、ＭＰ−２０３層を塗布後、右ねじれとなるように１０゜ずらしてラビング処理し、Ａ−４液も同様にして塗布する。
その上に同様の手順で、順次、ＭＰ−２０３、Ａ−４液、ＭＰ−２０３、Ａ−３液、ＭＰ−２０３、Ａ−２液、ＭＰ−２０３、Ａ−１液を配向方向が１０゜ずつ右ねじれとなるように塗設する。このようにして光学異方素子を作成した。各層ともディスコティック液晶層の厚みは、およそ０．２μｍであった。
【００３０】
【化１】

【００３１】
各ディスコティック液晶層を別途単独の層として、島津製作所製エリプソメーター（ＡＥＰ−１００）で光学測定を行ったところ、表２のような結果を得た。各層ともほぼ負の一軸性を有しており、ラビング方向に光軸が傾斜していた。積層体においても、各層は同様の光学特性を有しているものと推定される。
【００３２】
【表２】

【００３３】
液晶の異常光と常光の屈折率の差と液晶セルのギャップサイズの積が４００ｎｍで、左ねじれでねじれ角が９０度のＴＮ型液晶セルに、上記光学異方素子１枚を、ディスコティック液晶層がＴＮ型液晶セル側になるように装着した。その際、ＴＮ型液晶セルに最近接したディスコティック液晶層の薄層の光軸の方位角と、光学異方素子に近い方のＴＮ型液晶セル基板のラビング方向を一致させた。更に、全体を挟むようにして偏光膜を２枚、偏光膜の光の透過軸と近接したＴＮ型液晶セル基板のラビング方向とが直交するように装着した。
液晶セルに対して、５５Ｈｚ矩形波で電圧を印加した。白表示１Ｖ、黒表示５Ｖの透過率の比（白表示）／（黒表示）をコントラスト比として、全方位からのコントラスト比測定を大塚電子製ＬＣＤ−５０００にて行い、等コントラスト曲線を描いた。その結果を図１に示す。
【００３４】
実施例２
実施例１で用いた配向膜が塗設されたトリアセチルセルロース上に、Ａ−４液を＃３のワイヤーバーで塗布し、金属の枠に貼り付けて１２０℃の高温槽中で３分間加熱し、ディスコティック液晶を配向させた後、１２０℃のまま高圧水銀灯を用いて１分間ＵＶ照射し、室温まで放冷した。再びＭＰ−２０３を塗布し、温風にて乾燥させた後、右ねじれとなるように方向を１０゜ずらしてラビング処理を行い、Ａ−３液を同様に塗布し、加熱、ＵＶ処理し、室温に放置する。その後、順次、ＭＰ−２０３層を塗布後、右ねじれとなるように１０゜ずらしてラビング処理し、Ａ−２液を塗布、ＭＰ−２０３層を塗布後、右ねじれとなるように１０゜ずらしてラビング処理し、Ａ−１液も同様にして塗布する。このような光学異方素子を２枚作成した。各層の光学特性は表２と同じであった。
【００３５】
実施例１と同じＴＮ型液晶セルに、この光学異方素子を液晶セルを挟むように２枚装着した。その際、トリアセチルセルロースフィルムが外側となるようにし、２枚の光学異方素子ともに、ＴＮ型液晶セルに最近接したディスコティック液晶層の薄層の光軸の方位角と、光学異方素子に近い方のＴＮ型液晶セル基板のラビング方向を一致させた。更に、全体を挟むようにして偏光膜を２枚、偏光膜の光の透過軸と近接したＴＮ型液晶セル基板のラビング方向とが平行になるように装着した。このようにして作成したＴＮ液晶表示素子のコントラスト比測定を、実施例１と同様にして測定した。等コントラスト曲線の結果を図２に示す。
【００３６】
実施例３
１００μｍのＡＲＴＯＮフィルム（日本合成ゴム社製）上にポリイミド層を塗設し、ラビング処理を行い、配向膜を形成した。面内の主屈折率をｎｘ、ｎｙ、厚さ方向の屈折率をｎｚ、厚さをｄとした時、ＡＲＴＯＮフィルムは、｜ｎｘ−ｎｙ｜×ｄ＝３ｎｍ、｛（ｎｘ＋ｎｙ）／２−ｎｚ｝×ｄ＝２０ｎｍであり、ほぼ負の一軸性であり、光軸がほぼフイルム法線方向にあった。
【００３７】
この配向膜上に、実施例１と全く同様にしてディスコティック液晶層を右ねじれとなるように順次１０゜ずらしながら塗布した。実施例１と同様にしてＴＮ型液晶セルにこの光学異方素子を装着した。更に、全体を挟むようにして偏光膜を２枚、偏光膜の光の透過軸と近接したＴＮ型液晶セル基板のラビング方向とが平行になるように装着した。このようにして作成したＴＮ液晶表示素子について、実施例１と同様な全方位でのコントラスト比測定を行った。等コントラスト曲線の結果を図３に示す。
【００３８】
比較例１
実施例１と同じＴＮ型液晶セルに、光学異方素子を装着せずに、偏光膜をＴＮ型液晶セルの両面に、偏光膜の光の透過軸と近接したＴＮ型液晶セル基板のラビング方向とが直交するように装着した。この場合も実施例１と同様な全方位でのコントラスト比測定を行った。等コントラスト曲線の結果を図４に示す。
【００３９】
本発明である実施例１〜３（図１〜３）は、比較例１（図４）に比べて、大幅に視野角特性が改善されていることがわかる。
【本発明の効果】
本発明によれば、液晶表示素子の視角特性が改善され、視認性にすぐれる高品位表示の液晶表示素子を提供することができる。また、本発明をＴＦＴやＭＩＭなどの３端子、２端子素子を用いたアクティブマトリクス液晶表示素子に応用しても優れた効果が得られることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学異方素子を装着した液晶表示素子（実施例１）のコントラスト１０基準の全方位の視野角を説明する図である。
【図２】本発明の光学異方素子を装着した液晶表示素子（実施例２）のコントラスト１０基準の全方位の視野角を説明する図である。
【図３】本発明の光学異方素子を装着した液晶表示素子（実施例３）のコントラスト１０基準の全方位の視野角を説明する図である。
【図４】本発明の光学異方素子を装着しない液晶表示素子（比較例１）のコントラスト１０基準の全方位の視野角を説明する図である。

Claims

光学的にほぼ負の一軸性を示す薄膜が連続的に積層された積層体からなり、該薄膜の光学軸が法線方向から傾斜しており、かつ、該薄膜の光学軸の傾斜角が厚み方向で順次大きくなるかもしくは小さくなるかして変化しており、該薄膜の光学軸が厚み方向でねじれていることを特徴とする光学異方素子。
該光学異方素子の光学軸のねじれ角が３６０°以下であることを特徴とする請求項１記載の光学異方素子。
該光学異方素子の６３２．８ｎｍの光における厚み方向レターデーションが５０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の光学異方素子。
該光学異方素子の薄膜の光学軸が法線方向からの傾斜角が５°〜９０°であることを特徴とする請求項３記載の光学異方素子。
２枚の電極基板間に液晶を挟持してなる液晶セルと、その両側に配置された２枚の偏光素子からなる液晶表示素子において、２枚の偏光素子の間に請求項１記載の光学異方素子を少なくとも１枚用いたことを特徴とする液晶表示素子。
該液晶セルがほぼ９０゜のねじれ角を有するＴＮ型液晶を液晶セルに用いたことを特徴とする請求項５記載の液晶表示素子。
該光学異方素子のねじれ角の合計が１８０°以下であることを特徴とする請求項６記載の液晶表示素子。