JP3628094B2 - 液晶表示素子および光学異方素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示素子および光学異方素子に係わり、特に液晶表示素子のコントラスト比および表示色の視角依存性を改良した光学異方素子および配置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子は、薄型軽量、低消費電力という大きな利点をもつため、腕時計や電卓、日本語ワードプロセッサ、パーソナルコンピュータ等のディスプレイとしてだけではなく、液晶表示素子の利点を積極的に活用した新規な構想の製品にも活用されている。中でもパーソナルコンピュータなどに用いられる液晶表示素子は、大面積・大容量表示化しており、表示面の大きさが対角１０インチ、６４０×４８０画素といったものが主流になってきた。このクラスの液晶表示素子に用いられている表示方式としては、大きく２つに分類できる。１つは、単純マトリクス方式、もう１つはアクティブマトリクス方式である。
【０００３】
単純マトリクス方式は、液晶を櫛形の透明電極が付いた２枚のガラス基板で挟んだだけの単純な構造をしている。それゆえ、単純マトリクス方式においては、液晶に高い性能が要求される。この液晶に要求される性能を説明する前に、液晶表示素子の表示原理について説明する。
【０００４】
液晶表示素子の表示は、液晶にかかる電圧を変化させて液晶分子の向き変化させて表示を行っている。一般に、大きなコントラスト比を得るには大きな電圧差が必要である。しかし、６４０×４８０画素もの表示を実現するには、暗と明の電圧差は約１Ｖと小さく、１Ｖ差だけで液晶分子の大きな状態変化が要求される。これを実現するため、長い間、多くの研究者らにより検討され、１９８５年、シェーファらの研究グループによりなされた。彼らの研究によると、液晶分子の配列のねじれ角（ツイスト角）を大きくすることで配列の変化が電圧に対して敏感に変化し、また、大きなねじれ角で安定な配列を得るには、液晶分子はある程度の傾きを持っていることが必要であることを見いだした。この研究報告以来、これを実現するための配向技術が盛んに行われ実用化に成功した。
【０００５】
配列６４０×４８０画素もの表示を実現するには、一般にツイスト角は１８０゜以上必要であり、このようにツイスト角が大きいことから、この液晶をスーパーツイストネマティック（ＳＴＮ）と呼ばれる。しかし、初期のＳＴＮディスプレイは背景が黄色で緑の文字表示など表示に色づきがあり、白黒の表示ではなかった。これは、ツイスト角が大きいためで、このような表示の着色を解消する手段として、液晶層の配列が逆の方向にねじれた第２の液晶セルを偏光板と液晶セルの間に配置することによって白黒表示を実現できることが特公昭６３−５３５２８号公報にて報告されている。
【０００６】
この白黒化の原理は、液晶分子がねじれ配列とされる第１の液晶セルを透過し旋光分散を生じた光を、第１の液晶セルと対象構造の第２の液晶セルに透過させる事によって旋光分散を解消した。その結果、光の旋光分散に起因する着色が解消され、白黒表示を実現することができる。このような変換を正確に行うには、光学補償板である第２の液晶セルは、第１の液晶セルとリタデーション値がほぼ同一で、かつねじれ方向が相互間で逆であり、それらの配置は、相互に最近接する液晶分子の配向方位が直交するように構成することが必要である。
【０００７】
この他の手段としては、前述した第２の液晶セルの替わりに光学異方性フィルムを用いる手法も種々提案されている。これは、光学異方性フィルムを液晶セル上に数枚積層することにより、第２の液晶セルとほぼ同一な機能をもたせる手法である。
【０００８】
以上述べた光学補償によりＳＴＮディスプレイでも白黒表示が可能となり、更にカラーフィルタとの組み合わせにより、より付加価値の高いカラー表示も実現することができる。しかし、単純マトリクス方式は、電圧平均化法に基づく時分割駆動を原理としているため、高精細表示をするために走査線数を増加すると、光を遮断する際の電圧値と、光を透過させるの際の電圧差が著しく減少し、その結果コントラスト比が小さくなったり、液晶の応答速度が遅くなる本質的な問題がある。また、この様な従来技術は、液晶表示素子を見る時の方位や角度によって表示画が反転して見えたり、表示画が全く見えなくなったり、あるいは表示が色づくといった現象として観測され、より表示品位の高い液晶表示素子を実現する際、大きく問題となる。
【０００９】
一方、アクティブマトリクス方式は、各表示画素ごとに薄膜トランジスタやダイオードからなるスイッチング素子を具備しているため、走査線の数に関係なく各画素の液晶層に任意の電圧比を設定できる。従って、単純マトリクス方式の場合の様な特別な性能は液晶には要求されない。ツイスト角をＳＴＮのように大きくする必要はなく、９０゜とされている。
【００１０】
ツイスト角が９０゜の液晶セル（ＴＮ）は、ねじれ角が小さいため旋光分散がなく、無彩色で高コントラストな表示が得られる。また、電圧に対する応答もＳＴＮより速い。アクティブマトリクス方式とＴＮとを組み合わせることにより、大表示容量でコントラスト比が高く、応答速度が速い液晶表示素子が実現することができる。また、各画素毎にスイッチング素子があるため中間的電圧を印加できこれにより中間調表示も可能である。更に、カラーフィルタと組み合わせることにより、フルカラー表示も実現が容易である。
【００１１】
しかし、アクティブマトリクス方式の場合でも、２値表示をした場合にはそれほどでもないが、中間調を表示したときに、見る方向によって表示画が反転して見えたり、表示画が全く見えなくなったり、あるいは表示が色づくといった現象として観測され、より表示品位の高い液晶表示素子を実現する際、大きく問題となる。
【００１２】
このような表示の視角依存性を低減させる手段として、英国特許第１４６２９７８号明細書に２枚の偏光板の間に、液晶セルと光学異方性が厚み方向に負のポリマーフィルムである複屈折層を配置することが開示されている。一方、特開平３−６７２１９号公報に、螺旋ピッチ長と屈折率の積が４００ｎｍ以下のコレステリック液晶相を示す液晶化合物（または高分子液晶）からなる複屈折層を液晶セル上に配置することが開示されている。これら２つの提案は、垂直配列（配向基板に対して液晶分子が垂直に配列したもの）した液晶セルの場合しか考慮されてなく、ＴＮ方式やＳＴＮ方式のようなねじれた配列をした液晶セルの場合には考えられていない。また、特開平４−３４９４２４号公報にツイスト角３６０゜以上の配列で、チルト角をもつ光学補償素子で液晶表示素子の視野角を制御する提案もあるが、階調表示をした場合には視野角拡大の効果がまだ十分とはいえない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べた液晶表示素子の基本的な表示原理は、液晶に印加する電圧により液晶分子の向きを変化させ、液晶セルに光学的な変化を生じさせるところにある。
【００１４】
従って、液晶表示素子を傾けてみると液晶分子の向きが変化して見え、特に微妙な中間調を表示する場合、液晶分子の傾き具合を細かく変化させるのでより顕著である。
【００１５】
このような、液晶分子の配列の見え方の視角依存性により、表示画が反転して見えたり、全く識別できなかったりするといった現象として観測され、特にカラーフィルターと組み合わせてフルカラー表示を行う際には、表示画の再現性が著しく低下し大きく問題となる。
【００１６】
本発明は上記不都合を解決するものであり、コントラスト比および表示色の視角依存性を改善した液晶表示素子およびこれに使用する光学異方素子を得るものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下に示す特徴をもつ液晶表示素子にある。
【００１８】
少なくとも１枚の偏光器と、
２枚の基板間に液晶層を挟持した駆動用液晶セルと、
前記偏光器と前記駆動用液晶セル間に配置され，光学異方性が負号であり，光軸が層面に対してほぼ垂直方向からほぼ平行方向に連続的に層厚方向に変化してなる第１の光学異方性層および光学異方性が負号であり光軸が層面に対しほぼ垂直な第２の光学異方性層とが隣接して配置され，かつ前記第１の光学異方性層のほぼ垂直な光軸を形成する層側が前記第２の光学異方性層と隣接する光学異方素子と、
からなることを特徴とする液晶表示素子。
【００１９】
上記駆動用液晶セルの平均光軸と、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層から合成される平均光軸とが互いにほぼ平行となることを特徴とする液晶表示素子。
【００２０】
上記駆動用液晶セルの表示方式が旋光モードであることを特徴とする液晶表示素子。
【００２１】
上記駆動用液晶セルの表示方式が複屈折モードであることを特徴とする液晶表示素子。
【００２２】
上記第１の光学異方性層が有機材料、無機材料または高分子液晶からなることを特徴とする液晶表示素子。
【００２３】
上記第１の光学異方性層が液晶セルからなることを特徴とする晶表示素子。
【００２４】
上記第２の光学異方性層が有機材料、無機材料または高分子液晶からなることを特徴とする液晶表示素子。
【００２５】
上記第１の光学異方性層が駆動用液晶セル内部に形成されていることを特徴とする液晶表示素子。
【００２６】
上記第２の光学異方性層が駆動用液晶セル内部に形成されていることを特徴とする液晶表示素子。
【００２７】
本発明はさらに以下の特徴をもつ液晶表示素子にある。
【００２８】
光学異方性単位の光学異方性が負号であり、光軸が厚み軸と層面のある方向の軸からなる面内で、層の厚み方向に連続的に変化した配列で、一方の層面で前記光軸が層面に対しほぼ垂直で、他方の層面で前記光軸が層面に対しほぼ平行である第１の光学異方性層と、光学異方性が負号であり層面に対しほぼ垂直な第２の光学異方性層とが隣接して配置され、かつ前記第１の光学異方性層の前記第２の光学異方性層と最隣接する光学異方性単位の光軸と第２の光学異方性層の光軸とがほぼ平行となることを特徴とする光学異方素子。
【００２９】
上記第１の光学異方性素子が有機材料、無機材料または高分子液晶からなることを特徴とする光学異方素子。
【００３０】
上記第１の光学異方性層が液晶セルからなることを特徴とする光学異方素子。
【００３１】
上記第２の光学異方性層が有機材料、無機材料または高分子液晶からなることを特徴とする光学異方素子。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明は、上記により課題を解決するものであり、液晶表示素子のコントラスト比や階調表示時のの明るさ、表示色の視角依存性を同時に軽減する、もしくは液晶表示素子のある特定のコントラスト比が得られる領域をある特性の方位、視角に制御しようするものである。その作用について以下に説明する。
【００３３】
ＴＮやＳＴＮなどの液晶表示素子において、光が液晶表示素子の表示面に垂直に入射する場合と斜めに入射する場合とでは、液晶表示素子中を伝搬する光の偏光状態は異なり、この偏光状態の違いが表示画の反転現象や着色現象に直接反映する。このような現象は、液晶表示素子の表示面を見る角度を表示面法線から大きく傾けていくと観測され、特に液晶層に電圧を印加する手段を有する液晶セル（以下駆動セルという）の液晶層に電圧が印加されている画素で顕著に見られる。
【００３４】
図１７（ａ）、（ｂ）は、従来のＴＮ液晶表示素子の表示面法線から左右の方向に０°から６０°まで傾いた時の表示輝度の角度依存性を示す図である。１から８レベルと示されているのは、階調表示の各階調番号で、液晶セルに印加される電圧が順に異なっている。レベル１は０Ｖ、レベル８は５Ｖが液晶セルに印加されている。例えば、上方位（図１７（ｂ））の場合、ディスプレイの表示面の法線から傾ける角度（視角）を０°（正面）から６０°へと大きくなるにつれて、輝度は徐々に大きくなっている。実際の表示では、表示色が白っぽくなる（白抜け）として観測される。一方、下方位についてみると、視角を正面（０°）から６０°へと傾けていくと、上方位とは逆に輝度は低下していく。この現象は、実際の表示画においては、表示色が暗くなる（黒つぶれ）として観測される。また、正面において、最も明るい表示レベル１とそれより低い階調レベル２は、上方位の視角３５°で大小関係が逆転しており、実際の表示画においては、写真フィルムのネガのような反転した表示（反転）として観測される。どの階調レベルに関しても視角変化しても透過率が変化しないのが理想である。しかし、実際のＴＮの視角特性は図１７（ａ）に示したように左右方位の特性は比較的よいが、上下方位の特性は悪い。
【００３５】
このような現象がおきるのは、上述のように液晶表示素子の視角特性は、液晶表示素子に入射する光の入射角度により偏光状態が異なることに起因するためであるが、これについてＴＮを例に詳しく説明する。
【００３６】
図３にＴＮ型液晶表示素子の動作原理を示す。図３（ａ）は電極３ｃ、３ｄに電圧無印加時のＴＮセル中の液晶分子ＬＭの配列状態を示している。電圧Ｖが印加されていない時には、液晶分子は基板に対してほぼ平行に液晶層の厚さ方向（図ではｚ軸の方向）に液晶分子同士が平行になって連続的にねじれた配列をしている。ねじれた分子の配列に偏光子Ｐｉにより偏光された光Ｌｉが入射すると、偏光面は液晶分子ＬＭのねじれ配列にしたがって回転し、液晶層を出たところでは偏光面は、液晶層に入る前の偏光面に対し液晶層のツイスト角分回転する。この回転した方向に検光子Ｐｏの透過軸Ｐｏｔを合わせると透過光Ｌｏが得られる。
【００３７】
図３（ｂ）は、電圧印加時のＴＮセル中の液晶分子の配列状態を示している。電圧Ｖの印加により液晶分子ＬＭは立上がり、セルの中央付近の液晶分子ＬＭｃは電極近傍の液晶分子ＬＭｓよりも傾く。電極３ｃ、３ｄ近傍の液晶分子ＬＭｓの傾きが小さいのは、電極−液晶層界面の配向規制力（液晶を配向させるために必要）があるためである。電圧Ｖの大きさに応じて液晶分子の傾きが大きくなり、これと同時にねじれ配列も歪み、電圧がさらに大きくなるとついにはねじれが解かれる。このような状態に偏光Ｌｉが入射すると、ねじれ配列ではないために偏光面Ｌｐは回転せず液晶層を進行し、液晶層を出たところでは偏光面は液晶層に入射する前と変わらない。したがって検光子Ｐｏの透過軸Ｐｏｔは偏光面Ｌｐと直交するので偏光は透過できない。また、中間調を表示するには液晶層に印加する電圧の大きさをこれより小さく設定し、配向のねじれ配列を若干残し、液晶層を出射する偏光面を幾分回転させて中間の透過光を得る。以上の原理により、透過光をねじれ配列の歪みを利用して制御している。
【００３８】
次に斜め方向の光に対する現象を説明する。
【００３９】
図４は中間調を表示するときの分子配列状態に斜めから光が入射する状態を説明する図である。図４（ａ）は、中間調表示時の分子配列状態ＬＭｉｎｔと２つの入射光の方向Ｌ、Ｕの関係を示す斜視図で、これをよりわかりやすくするため、ｙ軸方向から見た図を図４（ｂ）、（ｃ）に示す。ここに駆動用液晶セルの基板の法線方向をｚ軸、基板面をｘｙ軸で表している。上下の基板の電極３ｃ、３ｄ付近の液晶分子ＬＭｓはやや傾きをもって配列している。この傾きはプレチルト角と呼ばれ、一般に、プレチルトとは基板−液晶界面における液晶分子の傾きのことを示し、その傾きの角度をプレチルト角α０という。電圧無印加時には、上下の基板３ａ、３ｂ間にわたり同一の角度で傾いている。電圧Ｖが印加される領域にわたり所定の傾き（プレチルト）があると、電圧が印加された際の傾き方向がプレチルトの方向に揃うので、その結果均一な表示ができる。もし、プレチルトがない場合には、電圧が印加されたときに液晶分子の傾く方向がまちまちとなり、傾き方向の異なる領域の境界に欠陥線が発生し表示品位を著しく低下させる原因となる。したがって均一な表示を得るためにはプレチルトは不可欠であり、その角度はＴＮモードにおいては１°から６°が一般的である。
【００４０】
したがって図４（ｂ）、（ｃ）に示したように、特に中間調を表示した際には、液晶分子の配列状態はｙ軸に対して非対称になる。図４（ｂ）の＋ｘ軸から＋ｚ軸の方向へ斜めに入射するＬの偏光に関しては、図５のＬＭ−Ｌに示したように、配列は液晶分子ＬＭに傾きがない状態（あたかも電圧無印加時の配列状態）となり偏光面は大きく回転することができる。その結果、透過光は正面からの入射光（ｚ軸に平行な光）に対する出射光の強度よりも大きくなる。一方、図４（ｃ）のこれと反対の方位から（−ｘ軸から＋ｚ軸の方向へ斜めに）入射する偏光Ｕに対しては、図５のＬＭ−Ｕに示したように、配列は液晶分子ＬＭが大きく傾いた状態（あたかもさらに大きな電圧が印加された配列状態）となり偏光面は回転することができなくなる。その結果、透過光は正面からの入射光（ｚ軸に平行な光）に対する出射光の強度よりも小さくなる。図２との対応関係は、図４のＬの方位は図２の上方位に、図４のＵの方位は図２の下方位に相当する。
【００４１】
以上説明したように、中間調での透過光の方位依存性は液晶分子の配列の非対称性に起因する。この配列の非対称性は、光が入射する方位により偏光面の回転（旋光性）角度が異なり、その結果透過率に変化を生じる。ＴＮ型液晶表示素子では、上方位では旋光性が生じ、下方位では旋光性が減じる傾向があるといえる。したがって、これを改善するには上方位で旋光性が減り、下方位で旋光性が生じる位相差板を加えることにより、液晶表示素子の視角依存性を改善することができる。
【００４２】
本発明は、このような特性をもつ光学異方素子およびこの光学異方素子を備えた液晶表示素子を得るものである。
【００４３】
本発明に関する光学異方素子を構成する位相差板について説明する。
【００４４】
まず、位相差板に要求される特性をまとめると、位相差板に求められる特性は、「上方位と下方位間で旋光の回転方向が逆」ということにある。図６は、本発明の位相差板の光軸の配列状態を示す図で、図６（ａ）は本発明の位相差板の断面図であり、断面楕円で示されているのは位相差板を構成する光学異方性単位ＬＤを示しており、３次元円板体の断面楕円の長軸法線が光軸ＯＬに相当する。単位は１つの分子でもよいし、積層などでつらなる複数の分子から構成されてもよい。この単位は負の光学異方性をもつ層の光軸が層内の厚み方向（ｚ方向）に対して連続的に傾きを変化する様子を説明するために導入したもので、実際には個々に識別できるというものではなく、負の光学異方性物質層を等価的に説明するものである。
【００４５】
下側の基板の電極３ｄから上側の基板の電極３ｃにかけて楕円長軸の傾きが連続的に変化しており、光軸ＯＬは下基板３ｄ付近では基板面に対してほぼ垂直で上基板電極３ｃ付近でほぼ平行である（ハイブリッド配向）。この配列を上から見た例が図６（ｂ）に示されている。図中の矢印は、光軸ＯＬの向きを示している。図６（ｃ）はｚ軸から斜めに観測したときの配列図である。傾き方向は図中のｘｙｚ軸で示されている。これと逆の斜め方向から見た図を図６（ｄ）に示した。図（ｃ）、（ｄ）からわかるように、図６（ａ）の配列をｚ軸より斜めから観測すると、（ｃ）では下から上に進行するにしたがい進行方向から見て左ねじれ、（ｄ）ではこの逆の右にねじれて配列している。このように斜めに配列している位相差板により、上述の「上方位と下方位間で旋光の回転方向が逆」という特性が実現できる。
【００４６】
また、本発明の光学異方素子としての位相差板は、その厚さ方向に光学的に光学異方性物質層単位を多層に積層した構造とみることができる。各層単位が光軸をもち、これらの光軸の傾きが連続的にまたは段階的に変化している構成である。 さらに、厚さ方向で最小の旋光性を有する光軸配列をとっている。
【００４７】
次にこのような位相差板をどのようにして駆動セルと組み合わせると良好な補償効果が得られるかについて説明する。
【００４８】
図７（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）は、図３、４、５に示した駆動セルを、図６と同様に矢印を加えて示した図で、符号Ｌｉｐが入射光の偏光軸、符号Ｌｏｐが出射光の偏光軸を表している。図７（ａ）は位相差板を、（ｂ）は中間調に相当する電圧を印加した駆動セル（ＴＮ）をｚ軸から見た図である。（ｃ）はｚ軸上から＋ｘ軸側に倒して見たときの位相差板を構成する各光学異方性物質層の分子の配列を示した図であり、図中に直線偏光が入射した場合の旋光状態を示した。この方向では位相差板は、入射光の偏光面を左方向に回転させる性質（左旋光能）がある。（ｄ）に（ｃ）と同じ方向から見たときの駆動セルの配列状態を示した。液晶分子は中間調に相当する電圧（液晶が動作する臨界電圧（しきい値電圧）よりやや大きい電圧）が印加されているために斜めに傾いており、この方向から見ると液晶分子の長軸方向の長さと短軸方向の長さがほぼ同じとなる配向部分が生じる。そのため、入射偏光はあまり旋光せずに透過し、出射光の偏光軸Ｌｏｐの方向は入射光の偏光軸Ｌｉｐとほぼ変わらない。これが表示が暗くなる「黒つぶれ」と呼ばれる表示異常の原因であり、この場合、左回りに偏光を旋光（旋光能を増加させる）させれば、これが改善される。それには、前述の図（ｃ）の位相差板がこれに適合する。図（ｃ）の位相差板には左旋光能があり、駆動セルで足りない旋光を補う。
【００４９】
一方、これと逆方位について、図（ｅ）、（ｆ）を用いて説明する。図（ｅ）、（ｆ）は、図（ａ）の位相差板をｚ軸の方向から−ｘ軸より観測したときの光軸の配列を示したもので、図の入射光に対して右に旋回させる特性（右旋光能）をもつ。図（ｆ）は、図（ｄ）と同様、中間調の電圧が印加された状態であり、この方向からは実際には液晶分子が傾いているのにもかかわらず傾いてないなように見え、そのため大きな旋光能がでる。これが表示が必要以上に明るくなる「白抜け」と呼ばれる表示異常の原因となり、左回りの旋光を抑制する右旋光を適用すれば余分な旋光を解消でき「白抜け」が改善される。図（ｅ）の位相差板は右旋光能があり、これを駆動セルと組み合わせることで素子の特性改善がはかれる。 さらに高精度に視角依存性を改善するには、位相差板の平均光軸の傾きを駆動セルの平均光軸と一致させることが必要になる。このようにすることで、液晶表示素子全体の屈折率を３次元的に異方性がない光学媒体、すなわち屈折率球体により近付けることが可能となり、視角依存性のない表示が得られる。
【００５０】
実際に、図２に示すように、負の光学異方性物質をハイブリッド配列させた位相差板２０は、光軸の平均軸（２．１）の傾きθｃ がＴＮ液晶表示素子３の光軸（３．０）の傾きθＬＣに比べ、法線方向ｚに対しより傾いている。これは製造上からくるものである。
【００５１】
ここにハイブリッド配列の説明上、異方性物質層が、複数の光学異方性単位２ａの層方向への積層でなるものとし、その光軸２Ｌが層下面２Ｂから層上面２Ａにかけて、下面２Ｂに平行な方向から上面２Ａにほぼ垂直な方向になるように連続的に傾きが変化する様子を示している。なお、３Ｌは正の誘電異方性の液晶分子の長軸方向を示している。Ｖは液晶層に電圧を印加する電源である。
【００５２】
このハイブリッド配列の光軸の傾きを法線方向側に補正するには、負の位相差板を付与することが効果的である（図１６）（ＥＣＰ−６４６８２９： 富士写真フィルム、９５年液晶討論会参照）。
【００５３】
本発明者等はこのような構成において、位相差板の光軸に注目したものである。この場合、駆動セルの旋光性を補正するには、極力、位相差板の光軸の変化は連続的であることが好ましい。
【００５４】
すなわち、図１および図８に示すように、ハイブリッド配向の位相差板２０と負の位相差板３０を組み合わせるには、ハイブリッド配向の位相差板２０と負の位相差板が最隣接する光学異方性単位の光軸（２．１）、３０Ｌは揃っていることが極めて重要になる。
【００５５】
本発明の液晶表示素子は、この連続性を維持するもので、ハイブリッド位相差板の垂直光軸側の面と負の位相差板の面を隣接して、斜め入射時の光線に対し十分な視角補償効果を発揮させる。
【００５６】
さらに図８ではハイブリッド配列位相差板２０の面平行の光軸２Ｌｂと液晶セル３の一方の配向処理方向に沿う液晶分子ＬＭの光軸３Ｌａの方位とを揃えている。
【００５７】
以上、ハイブリッド配向の位相差板と負の位相差板の組み合わせを例にして視野拡大の原理説明をしたが、ハイブリッド配向でねじれ配向した位相差板や、上下基板間で均一にチルト配向した位相差板でもハイブリッド配向の位相差板と類似の特性が得られ、それは液晶表示素子の設計仕様に応じて選択することができる。また、ＴＮを例に説明したが、９０度以上ねじれ角のＳＴＮや、それ以外のツイスト角のセルすなわち複屈折効果を用いて表示する駆動用液晶セルにも同様の原理が適用できる。
【００５８】
なお、光学異方性が負号の層に用いる負の光学異方性を示す物質としてトリフェニレン核にエステル結合でアルキル鎖のついたＣ１８Ｈ６ （ＯＣＯＣ７ Ｈ１５）６ やベンゼン核を有するＣ６ （ＯＣＯＣｍ Ｈ２ｍ＋１）６ などがあり、これらはディスコティック液晶と呼ばれる。これらを液晶相を示す温度領域で所望な配列を形成させ、配列が変化しないように結晶相で使用することなどもできる。また、液晶相を示す温度範囲を液晶モジュールの動作温度範囲にし、電界等により配列を制御できるように光学異方素子を作製すれば視角特性を電圧制御することも可能である。
【００５９】
また、位相差板は高分子フィルムを延伸することにより光学異方性を生じさせた位相差フィルム（ｒｅｔａｒｄａｔｉｏｎ ｆｉｌｍ）を積層したものや、ねじれ配列させた液晶セル、ならびに高分子液晶をねじれ配列させた薄膜によって実現できる。この場合、例えば駆動用液晶セルの基板の少なくともどちらか一方にこの高分子層を塗布することによって得られるため製造上容易となり、より望ましい液晶表示素子が得られる。例えばポリシロキサンを主鎖とし、側鎖にビフェニルベンゾエートとコレステリル基を適当な比で有したような高分子共重合体などを用いることなどができる。
【００６０】
以下、本発明の液晶表示素子の実施形態をさらに説明する。
【００６１】
（実施形態１）
図９および図１０に本実施形態における液晶表示素子の断面図を示す。液晶表示素子１０は２枚の偏光板１、４（ＬＬＣ２−９２−１８：ＳＡＮＲＩＴＺ 社製）と、これらの間に視角補償用の図１及び図８の構成の光学異方素子５、６を、さらに駆動用液晶セル３を挟む構成を有している。一方の光学異方素子５はハイブリッド配向の位相差板５ｂと負の位相差板５ａを積層したものであり、他方の光学異方素子６も同様のハイブリッド位相差板６ｂと負の位相差板６ａの積層体でなる。偏光板１は透明基板１ａの内側に偏光膜１ｂを挟んでつけたものであり、偏光板４も同様に透明基板４ａに偏光膜４ｂをつけて形成される。
【００６２】
光学異方素子５はハイブリッド配向の位相差板５ｂと負の位相差板５ａを、ハイブリッド配向の位相差板５ｂが負の位相差板５ａに最隣接する光学異方性単位の光軸がほぼ平行になるように張り合わせ、負の位相差板５ａが偏光板１に隣接するように配置した。ハイブリッド配向の位相差板のΔｎｄは−１２０ｎｍ、負の位相差板のΔｎｄは−８０ｎｍである。また同構成の他の光学異方素子６をハイブリッド配向位相差板６ｂを液晶表示セル３側にして偏光板４と液晶表示セル３間に配置する。
【００６３】
光学異方素子５、６間に配置される駆動用液晶セル３は、２枚の上側基板３ａと下側基板３ｂとを有し、それぞれ透明電極３ｃ、３ｄを形成しており、駆動電源３ｆに接続される。基板３ａ、３ｂ間に正の誘電率異方性をもつねじれネマティック液晶にカイラル材Ｓ８１１（Ｅ．Ｍｅｒｃｋ社製）を混入した液晶層３ｅが、ねじれ角が９０度で導入され、駆動電源３ｆからの印加電圧に応じて状態を変化する。電圧無印加時はねじれ配列を維持する。
【００６４】
駆動用液晶セル３に用いた液晶のΔｎは０．０９、液晶層の厚みは５μｍである。駆動用液晶セル３の液晶分子は下側基板３ｂから上側基板３ａへと反時計回りにねじれている（左ねじれ）。本セル３は９０°ツイスト角のＴＮセルとして動作し、旋光作用により光制御する。
【００６５】
図１０は本実施形態における液晶表示素子の構成を示す分解斜視図である。（１．１）および（４．１）は２枚の偏光板１および４の吸収軸であり、これらは互いに直交し（１．１）はｙ軸に対し基板の法線方向である＋ｚ方向から見て反時計回りに１３５°で配置される。（３．１）、（３．２）は駆動用液晶セル３の上側基板３ａと下側基板３ｂのラビング軸すなわち配向処理方向で、これらは互いに直交し、ｙ軸に対しラビング軸（３．１）とのなす角は＋ｚ方向から見て反時計回りで４５°で配置される。（５．１）、（６．１）は２つの光学異方素子５および６の平均光軸であり、（５．１）は駆動セル３のラビング軸（３．１）に平行に、（６．１）は（３．２）に平行になるように配置される。偏光板１は透過軸（１．１）が視角補償用液晶セル２のラビング軸（３．２）と直交するように配置した。
【００６６】
すなわち、本実施形態は、ハイブリッド配向の位相差板すなわち第１の光学異方性層の、負の位相差板すなわち第２の光学異方性層に最隣接する層面側の光学異方性単位の光軸が負の位相差板の光軸と連続になっている光学異方素子５、６を液晶セル３に組合わせたものである。これによりハイブリッド位相差板が液晶セル３に対面する。
【００６７】
本構成の液晶表示素子を図１１の座標系で電気光学特性を測定した。測定時の電圧値（駆動電圧３ｆから駆動用液晶セル３の電極３ｃ−３ｄ間に印加する電圧）は、１Ｖから５Ｖまで変化させた。結果を図１２に示す。
【００６８】
図１２は上下左右の４方位の印加電圧−透過率特性がそれぞれ示されており、正面から６０°まで視角を３０°ごと変化させたときの透過率を示している。理想はどの角度でも正面（視角θ＝０°）の透過率曲線と同一であることである。正面の方向では、ある電圧を越えると電圧の増加と共に透過率が減少する。
【００６９】
図１２を見ると、下方位の特性はほとんど変わらず、左右方向と上方向の階調表示特性がよくなっている。特に、上方向について光軸が不連続な場合（比較例３の図１５）と比較すると、改善効果が大きく、よい階調表示性能が得られている。
【００７０】
（比較例１）
図１３は実施形態１において、光学異方性層を取り除いた従来技術のＴＮ−ＬＣＤの印加電圧−透過率特性図である。下方位の特性は視角が大きくなるに従い透過率が減少する。これは実際に階調表示をした場合には「黒つぶれ」が生じることに相当する。また、視角６０°での３Ｖ付近の透過率の再増加は、実際の表示では「反転」に相当する。上方位についてみれば、３Ｖの電圧で視角が０°から６０°へと大きくなるにつれて、透過率が増大してゆく。これは実際の表示では「白抜け」に相当する。
【００７１】
本比較例では角度によって上方位においては表示が白くなり、下方位においては表示が黒くなったり階調が反転したりする現象が見られた。
【００７２】
（比較例２）
図１４は負の位相差板３０を用いずに、ハイブリッド配向の位相差板２０のみを用いた場合の比較例である。従来技術のＴＮ−ＬＣＤに比較すると、下方向は変わらず、左右方向と上方向の階調表示特性がよくなっているものの、上方向については十分といえない。
【００７３】
（比較例３）
図１５は図１６に示すようにハイブリッド配向の位相差板４０の、負の位相差板に最隣接する光学異方性単位の光軸４０Ｌが負の位相差板５０の光軸５０Ｌと不連続になっている光学異方性素子の比較例である。図１３の従来技術のＴＮ−ＬＣＤ特性に比較すると、下方向は変わらず、左右方向と上方向の階調表示特性がよくなっているが、上方向についてはまだ十分とはいえない。
【００７４】
（実施形態２）
実施形態１において、駆動セルに１８０度ツイストで、液晶層の厚みが１０μｍである以外は同一条件にて液晶表示素子を作製した。この液晶表示素子を駆動し、目視で表示品位を評価したところ、全方位について良好な階調表示性能を確認できた。
【００７５】
なお、上記実施形態で本発明を旋光性のＴＮ型液晶表示素子に適用した例について述べたが、複屈折性を利用した素子や、さらにＴＦＴやＭＩＭなどのスイッチング素子を用いたアクティブマトリクスおよびＳＴＮなどのシンプル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。
【００７６】
【発明の効果】
本発明によれば、コントラスト、表示色の視角特性が改善され、視認性に優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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を説明する模式的断面図、
【図２】本発明の実施形態１の作用を説明するもので、液晶セルに光学異方素子を組み合わせた場合の光軸の傾きを表す模式図、
【図３】（ａ）、（ｂ）はＴＮ型液晶表示素子の動作原理を説明する図、
【図４】ＴＮ型液晶表示素子の視角特性の発生原理を説明する図、
【図５】ＴＮ型液晶表示素子の視角特性の発生原理を説明する図、
【図６】光学異方素子の光学異方性単位の配列状態を示す図、
【図７】光学異方素子を用いた場合の液晶セルに対する光学補償原理を説明する図、
【図８】本発明の作用を説明する模式図、
【図９】本発明の一実施形態を示す断面図、
【図１０】本発明の一実施形態の作用を説明する図、
【図１１】電気光学特性を測定する座標系を説明する図、
【図１２】本発明の一実施形態の上下左右方位の透過率特性を示す曲線図、
【図１３】比較例１の上下左右方位の透過率特性を示す曲線図、
【図１４】比較例２の上下左右方位の透過率特性を示す曲線図、
【図１５】比較例３の上下左右方位の透過率特性を示す曲線図、
【図１６】比較例３の構成を説明する模式的断面図、
【図１７】従来技術の視角−輝度特性であって（ａ）は左右方位、（ｂ）は上下方位を示す曲線図。
【符号の説明】
１、４：偏光器
３：駆動用液晶セル
３Ｌ：液晶分子の長軸
５、６：光学異方素子
２０：ハイブリッド配列の位相差板（第１の光学異方性層）
２ａ：光学異方性単位
２Ｌ：光軸
３０：負の位相差板（第２の光学異方性層）
３０Ｌ：光軸

Claims (16)

1. 少なくとも１枚の偏光器と、
   ２枚の基板間に液晶層を挟持した駆動用液晶セルと、
   前記偏光器と前記駆動用液晶セル間に配置され，光学異方性が負号であり，光軸が層面に対してほぼ垂直方向からほぼ平行方向に連続的に層厚方向に変化してなる第１の光学異方性層および光学異方性が負号であり光軸が層面に対しほぼ垂直な第２の光学異方性層とが隣接して配置され，かつ前記第１の光学異方性層のほぼ垂直な光軸を形成する層側が前記第２の光学異方性層と隣接する光学異方素子と、
   からなることを特徴とする液晶表示素子。
2. 駆動用液晶セルの平均光軸と、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層から合成される平均光軸とが互いにほぼ平行となることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子
3. 駆動用液晶セルの表示方式が旋光モードであることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示素子。
4. 駆動用液晶セルの表示方式が複屈折モードであることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示素子。
5. 第１の光学異方性層が有機材料、無機材料または高分子液晶からなることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示素子。
6. 第１の光学異方性層が液晶セルからなることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示素子。
7. 第２の光学異方性層が有機材料、無機材料または高分子液晶からなることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示素子。
8. 第１の光学異方性層が駆動用液晶セル内部に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示素子。
9. 第２の光学異方性層が駆動用液晶セル内部に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の液晶表示素子。
10. 光学異方素子の第１の光学異方性層側が液晶層側に配置されている請求項１記載の液晶表示素子。
11. ２つの光学異方素子が駆動用液晶セルを挟んでおり、前記２つの光学異方素子の第１の光学異方性層を前記駆動用液晶セル側に面して配置してなる請求項１記載の液晶表示素子。
12. ２枚の偏光器が２枚の光学異方素子と駆動用液晶セルを挟んでなる請求項１１記載の液晶表示素子。
13. 光学異方性が負号であり、光軸が厚み軸と層面のある方向の軸からなる面内で、層の厚み軸方向に連続的に変化した配列で、層面で前記光軸が層面に対しほぼ垂直で、他方の層面で前記光軸が層面に対しほぼ平行である第１の光学異方性層と、光学異方性が負号であり層面に対しほぼ垂直な第２の光学異方性層とが隣接して配置され、かつ前記第１の光学異方性層の前記第２の光学異方性層に最隣接する光軸と第２の光学異方性層の光軸とがほぼ平行となることを特徴とする光学異方素子。
14. 第１の光学異方性層が有機材料、無機材料または高分子液晶からなることを特徴とする請求項１３に記載の光学異方素子。
15. 第１の光学異方性層が液晶セルからなることを特徴とする請求項１３または１４に記載の光学異方素子。
16. 第２の光学異方性層が有機材料、無機材料または高分子液晶からなることを特徴とする請求項１３に記載の光学異方素子。

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