JP3649986B2 - 液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速応答性及び視角特性に優れた液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は薄型軽量、低消費電力という特徴があり、携帯端末からパーソナルコンピュータ、テレビに至るまで幅広く利用されている。こうした液晶表示装置にはその性能として高速応答や広視野角が要求され、その要求を満たすために様々な工夫がなされている。高速応答が可能な液晶表示装置として、例えば特開平９−１４６０８６号公報、特開平９−１９７３９７号公報、特開平１０−１２３５０５号公報に開示されているＨＡＮ配向（ｈｙｂｒｉｄ Ａｌｉｇｎｅｄ
Ｎｅｍａｔｉｃ）の液晶表示装置がある。
【０００３】
この従来の液晶表示装置を図７及び図８に基づき説明する。ここではオフ時に白表示となるノーマリホワイトモードの場合を説明する。図７は白表示（オフ時）における液晶表示装置の概略構成図であり、図８は白表示（オフ時）における偏光板の透過軸と液晶分子を配列状態との位置関係を示す概略図である。
【０００４】
この液晶表示装置は一方の基板１００ｂには水平配向処理を行い、他方の基板１００ａには垂直配向処理を行ったもので、オフ状態の場合は、液晶分子１０２は水平配向の基板１００ｂ側では水平配列し、垂直配向の基板１００ａ側では垂直配列し、その間の液晶層１０１で水平配列から垂直配列に徐々に配列状態を変化させている。また、オン状態の場合は、基板１００ｂ付近の液晶分子１０２ｂは水平配列になるが、それ以外の液晶分子は垂直配列する。
【０００５】
この液晶層１０１を挟んだ基板１００の上下には偏光板１０３が配置され、この偏光板１０３は、両偏光板１０３の透過軸１０７のなす角が９０度で、水平配向の基板１００ｂに対応する偏光板１０３ｂの透過軸１０７ｂが水平配向の配向方向と４５度をなすように設定されている。なお、透過軸を吸収軸に置換えても良い。図８では基板１００ｂ側の液晶分子１０２ｂ及び偏光板１０３ｂの透過軸１０７ｂを点線で示し、基板１００ａ側の液晶分子１０２ａ及び偏光板１０３ａの透過軸１０７ａを実線で示している。
【０００６】
基板１００ａと偏光板１０３ａの間には光学補償シート１０８を設けている。この光学補償シート１０８は、オン時の液晶層１０１と光学補償シート１０８の合成屈折率楕円体が球になるような屈折率楕円体を有しており、例えば１軸性又は２軸性の光学異方素子が用いられている。
【０００７】
そして透過軸１０７ｂを通過した入射光（直線偏光）は液晶層１０１の液晶分子１０２、光学補償シート１０８を通過して偏光板１０３ａへ達する。このとき液晶層１０１と光学補償シート１０８の合成屈折率楕円体が楕円体になるので、偏光板１０３ａへ達した光は液晶層１０１と光学補償シート１０８による複屈折効果により楕円偏光になり、透過軸１０７ａを通過して白表示になる。
【０００８】
また液晶層１０１に所定電圧が印加されると、液晶分子の配列状態が垂直配列に変化し、液晶層１０１と光学補償シート１０８の合成屈折率楕円体が球になる。したがって透過軸１０７ｂを通過した入射光（直線偏光）は、偏光板１０３ａに達したときに振幅方向が透過軸１０７ｂと同一方向の直線偏光を維持し、透過軸１０７ａを通過することなく黒表示になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしＨＡＮ配向の液晶表示装置は、偏光板１０３ａの表面の法線方向から見たときは良好な白表示が実現できるが、法線方向に対してある程度の角度をなす方向から見たときは、その方向によって光透過率等が異なり良好な表示が得られない。透過軸１０７の方向１０９から斜めに見る場合はあまり変化がないが、透過軸１０７と４５度の角度をなす方向１１０、１１１から斜めに見る場合はこの差が大きくなる。特に、水平配列している液晶分子１０２ａの長軸方向１１０から見た場合は液晶層１０１のリタデーションが大きくなるため偏光板１０３ａの正面から見たときに比べて着色したように見え、液晶分子１０２ａの短軸方向１１１から見た場合は液晶層１０１のリタデーションが小さくなるので偏光板１０３ａの正面から見たときに比べて暗くなってしまう。
【００１０】
こうした視角依存性を小さくするために、どの方向から偏光板１０３ａを斜めに見た場合も液晶層１０１と光学補償シート１０８の合成屈折率楕円体が球になるように、光学補償シートに様々な工夫することが試みられている。
【００１１】
そこで本発明は、液晶層の垂直配列の液晶分子と水平配列の液晶分子が互いのリタデーションを補償して液晶層自体に視角補償機能を持たせ、広視角化及び高速応答が可能な液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の本発明は、配向膜に垂直配向処理が施された一方の基板と水平配向処理がなされた他方の基板からなる一対の基板間に液晶層を挟み込み、前記一対の基板の上下に一対の偏光板を配置した液晶表示装置において、前記液晶層には前記偏光板表面の法線方向に沿って液晶分子が垂直配列した領域と水平配列した領域が存在し、前記偏光板を少なくとも異なる２方向から斜めに見たときの前記液晶層のリタデーションがほぼ一定になるように前記両領域のギャップ幅を設定したことを特徴とする。
【００１３】
また請求項２記載の発明は、配向膜に垂直配向処理が施された一方の基板と水平配向処理がなされた他方の基板からなる一対の基板間に液晶層を挟み込み、前記一対の基板の上下に一対の偏光板を配置した液晶表示装置において、前記液晶層には前記偏光板表面の法線方向に沿って液晶分子が垂直配列した領域と水平配列した領域が存在し、前記偏光板を少なくともある１方向から斜めに見たときの前記液晶層のリタデーションと前記偏光板を法線方向から見たときの前記液晶層のリタデーションがほぼ同じになるように前記両領域のギャップ幅を設定したことを特徴とする。
【００１４】
また請求項３記載の発明は、配向膜に垂直配向処理が施された一方の基板と水平配向処理がなされた他方の基板からなる一対の基板間に液晶層を挟み込み、前記一対の基板の上下に一対の偏光板を配置した液晶表示装置において、前記液晶層には前記偏光板表面の法線方向に沿って液晶分子が垂直配列した領域と水平配列した領域が存在し、前記偏光板表面を斜め方向から見た際に、液晶分子が水平配列した領域のリタデーションと液晶分子が垂直配列した領域のリタデーションが互いに補償しあって前記偏光板の法線方向に対して同一の角度を有する範囲から見たときの前記液晶層のリタデーションがほぼ一定になるように前記両領域のギャップ幅を設定したことを特徴とする。
【００１５】
また請求項４記載の発明は、前記両領域のギャップ幅が設定値になるように前記配向膜の配向アンカリングを調整したことを特徴とする。
【００１６】
また請求項５記載の発明は、一対の偏光板は、互いの透過軸又は吸収軸が約９０度をなすと共に、透過軸又は吸収軸が配向膜の水平配向方向と約４５度をなすように配置されていることを特徴とする。
【００１７】
また請求項６記載の発明は、偏光板を斜めから見る方向が、偏光板の透過軸又は吸収軸と４０度から５０度の角度をなすと共に、偏光板の表面の法線方向に対して１０度から７０度の角度をなす範囲に含まれることを特徴とする。
【００１８】
また請求項７記載の発明は、偏光板の表面の法線方向から液晶層を見たときの水平配列領域のリタデーションが約２００ｎｍから約３００ｎｍの範囲内になるように設定したことを特徴とする。
【００１９】
また請求項８記載の発明は、基板間には誘電率異方性が正のネマティック液晶が介在されていることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。この液晶表示装置はノーマリホワイトモードであり、図１は白表示（オフ時）における液晶分子の配列状態を示す概略構成図、図２は黒表示（オン時）における液晶分子の配列状態を示す概略構成図、図３はオフ時の液晶表示装置の側面該略図、図４は偏光板の透過軸と液晶分子の配列方向の関係を示す図である。
【００２１】
第１基板１はガラス基板１ａ上に画素電極１ｂ、配向膜１ｃを積層し、第２基板２はガラス基板２ａ上に透明電極２ｂ、配向膜２ｃを積層している。第１基板１上にスペーサを散布させた後、第１基板１と第２基板２をそれぞれの配向膜１ｃ、２ｃが向かい合うように所定の位置に対向配置し、両基板１、２の周辺をシール剤で固着する。第１基板１の配向膜１ｃには水平配向処理が施され、第２基板２の配向膜２ｃには垂直配向処理が施されている。両基板１、２間に誘電率異方性が正のネマティック液晶３が封入され、液晶分子４が配向膜１ｃ、２ｃの影響によって後述する配列を保っている。
【００２２】
第１基板１の下方には下偏光板５が配置され、第２基板２の上方には上偏光板６が配置されている。下偏光板５と上偏光板６はその表面の法線方向９から見たときに互いの透過軸８ａ、８ｂが直交するように配置され、且つ下偏光板５は透過軸８ａと第１基板１の配向方向７と４５度をなすように配置される。なお、この実施例では透過軸で説明するが、透過軸の代わりに吸収軸の場合でもよい。また、両基板１、２及び両偏向板５、６は平行に配置されるので、それらの表面の法線方向９は一致する。
【００２３】
オフ時（図１）は、第１基板１側の液晶分子４ａは配向膜１ｃの水平配向に影響されてプレチルト角θの傾斜で水平配列し、第２基板２側の液晶分子４ｂは配向膜２ｃの垂直配向に影響されて垂直配列する。なお、配向膜１ｃに影響される液晶分子４ａがプレチルト角を有することなく第１基板１と平行に水平配列していてもよい。
【００２４】
液晶分子４の水平配列領域１２ａのギャップ幅と垂直配列領域１２ｂのギャップ幅は、第1基板１の法線方向９に対して角度を有する斜め方向から見たときに、水平配列領域１２ａのリタデーションと垂直配列領域１２ｂのリタデーションが補償しあって液晶層３のリタデーションがほぼ一定になるように設定される。特に図１及び図４に示すように、水平配列している液晶分子４ａの長軸方向と同一方向ａ（β１＝４５°）から見たときと、この液晶分子４ａの短軸方向と同一方向ｂ（β２＝４５°）から見たときの液晶層３のリタデーションがほぼ同一になるように設定すれば、光量の変化が最小限に抑えられて視角依存性を小さくすることができる。このときの両領域のギャップ幅は各配向膜１ｃ、２ｃの配向アンカリングの強度を調整することで設定できる。
【００２５】
このオフ時の場合、振幅方向が透過軸８ａと同一方向の直線偏光（入射光）１０ａが下偏光板５を通過し、液晶分子４を介して上偏光板６へ到達する。このとき上偏光板６へ達した透過光１０ｂは液晶分子１０２によって複屈折されて楕円偏光になるので、このうち振幅方向が上偏光板６の透過軸８ｂと同一方向の直線偏光１０ｃが上偏光板６を通過して白表示になる。
【００２６】
また、水平配列領域１２ａの液晶分子４ａが透過光１０ｂに与えるリタデーションと垂直配列領域１２ｂの液晶分子１０ａが透過光１０ｂに与えるリタデーションが補償し合うので、例えば透過軸８ｂと４５度をなす方向ａ、ｂから斜めに見た場合も液晶層３のリタデーションがほぼ同じになり、どの方向から見てもほぼ同調の白表示になって視角特性が向上する。
【００２７】
オン時（図２）の場合、第１基板１付近の液晶分子４ａは水平配列するが、それ以外の液晶分子４は垂直配列する。そして下偏光板５を通過した直線偏光の入射光１０ａは入射時の状態をほぼ維持しながら液晶分子４を通過し、振幅方向が透過軸８ｂと直交する直線偏光１０ｄが上偏光板６に到達するので、透過光１０ｄは上偏光板６に遮られて黒表示となる。
【００２８】
次に水平配列領域のギャップ幅と垂直配列領域のギャップ幅の一例を説明する。図５は図１及び図４のａ方向から上偏光板６を見たときの光の進行路を説明する側面概略図であり、図６は図１及び図４のｂ方向から上偏光板６を見たときの光の進行路を説明する側面概略図である。なお、説明及び計算を簡単にするために液晶層３を垂直配列領域１２ｂと水平配列領域１２ａの２つに領域に分割し、垂直配列領域１２ｂの液晶分子４ｂは全て第１基板１の表面の法線方向９と平行に垂直配列し、水平配列領域１２ａの液晶分子４ａは全て第１基板１の表面の法線方向９と直交方向に水平配列するものとする。またこの例では、第１基板１の法線方向９に対して７０度（α）の方向から液晶層３を見たときのリタデーションがほぼ一定になるように設定する。
【００２９】
液晶分子４の屈折率は長軸方向ｎx＝１．５５７５、短軸方向ｎy＝１．４７５４とし、液晶層３のギャップ幅は垂直配列領域がｄv、水平配列領域がｄhとする。このとき水平配列領域１２ａの液晶層のリタデーションΔｎ・ｄh＝（ｎx−ｎy）・ｄhが約２７５ｎｍになるように予め設定する。これは上偏光板６の表面の法線方向９から見たときの液晶層３のリタデーションは、水平配列領域１２ａの液晶層のリタデーションと同一になる。そして一般に、液晶層のリタデーションをＲ、入射光波長をλとしたとき、透過率Ｉはsin2（Ｒπ／λ）に比例するので、λを人が最も感じやすい光の波長５５０ｎｍに設定すると、この光の透過率が最も高くなるのはＲ＝２７５ｎｍになる。したがって水平配列領域１２ａの液晶層のリタデーションを２７５ｎｍに設定すれば、上偏光板６を正面から見たときに良好な白表示が得られる。このようにΔｎ・ｄh＝２７５ｎｍの場合はｄh＝３３５０ｎｍになり、ｄhが決定する。
【００３０】
またα＝７０°の方向から見た場合、液晶層３における光の進行方向α’は約３８°になる（図５、図６）。
【００３１】
次にａ方向、α＝７０°のときの水平配列領域１２ａにおけるリタデーションＲh(ａ、α)を計算する。このときの水平配向領域１２ａにおける異常光屈折率ｎxh(ａ、α)は次式で表される。
ｎxh(ａ、α)＝ｎx・ｎy／（ｎx 2・sin2α’＋ｎy 2・cos2α’）0.5
また常光屈折率ｎyh(ａ、α)はｎyh(ａ、α)＝ｎy、水平配列領域１２ａにおける光路ｄh(ａ、α)はｄh(ａ、α)＝ｄh／cosα’で表せる。したがって水平配列領域１２ａにおけるリタデーションＲh(ａ、α)は次式で表せる。
次にｂ方向、α＝７０°のときの水平配列領域１２ａにおけるリタデーションＲh(ｂ、α)を計算する。このときの水平配向領域１２ａにおける異常光屈折率ｎxh(ｂ、α)はｎxh(ｂ、α)＝ｎx、常光屈折率ｎyh(ｂ、α)はｎyh(ｂ、α)＝ｎy、水平配列領域１２ａにおける光路ｄh(ｂ、α)はｄh(ｂ、α)＝ｄh／cosα’で表せる。したがって水平配列領域１２ａにおけるリタデーションＲh(ｂ、α)は次式で表せる。
次に、このときの垂直配列領域１２ｂにおけるリタデーションＲv(α)を計算する。なお、垂直配列領域１２ｂのリタデーションＲv(α)はａ方向から見たときもｂ方向から見たときも同じになる。まず垂直配向領域１２ｂにおける異常光屈折率ｎxv(ａ、α)は次式で表される。
ｎxv(α)＝ｎx・ｎy／（ｎx 2・cos2α’＋ｎy 2・sin2α’）0.5
また常光屈折率ｎyv(α)はｎyv(α)＝ｎy、垂直配列領域１２ｂにおける光路ｄv(α)はｄv(α)＝ｄv／cosα’で表せる。したがって垂直配列領域１２ｂにおけるリタデーションＲv(α)は次式で表せる。
次に液晶層３全体のリタデーションを計算する。
【００３２】
まずａ方向から見た場合、水平配列した液晶分子４ａの長軸方向から見ることになるので、液晶分子４の配列状態をこの光路に沿って観察すると水平配列領域１２ａの液晶分子４ａの長軸方向と垂直配列領域１２ｂの液晶分子４ｂの長軸方向が一致する。よってこのときの液晶層３全体のリタデーションＲ（ａ、α）は次式で表せる。
またｂ方向から見た場合、水平配列した液晶分子４ａの短軸方向から見ることになるので、液晶分子４の配列状態をこの光路に沿って観察すると水平配列領域１２ａの液晶分子４ａの長軸方向と垂直配列領域１２ｂの液晶分子４ｂの長軸方向が直交する。よってこのときの液晶層３全体のリタデーションＲ（ｂ、α）は次式で表せる。
ここでＲ（ａ、α）＝Ｒ（ｂ、α）に設定すれば視角依存性が小さくなり、上記の式よりｄv＝１８５５ｎｍとなる。このときＲ（ａ、α）＝Ｒ（ｂ、α）＝２７９ｎｍとなり、基板の正面から見たときのリタデーションの２７５ｎｍともほぼ同等の値になり、視角特性が改善される。なお、このときΔｎ・ｄv＝１５２になる。
【００３３】
こうして求めたギャップ幅ｄv、ｄhになるように配向膜１ｃ、２ｃの配向アンカリングの強度を設定する。ここで求めたギャップ幅ｄv、ｄhは液晶層の液晶分子４が図５、図６に示すように配列している場合の値である。しかし水平配列している液晶分子４ａはプレチルト角θで傾斜し、第１基板１から第２基板２までの液晶分子４は水平配列から垂直配列へ徐々に配列状態が変わっている。したがって求めたギャップ幅ｄv、ｄhに設定した後で実験等により各ギャップ幅を適正値に調整することで、白表示のときに斜め方向から見たときもリタデーションがあまり変わらない視角依存性の小さい液晶表示装置になる。
【００３４】
また、配向アンカリングの強度を求めたギャップ幅ｄv、ｄhの条件を満たす範囲でできるだけ強くすれば、水平配列領域１２ａと垂直配列領域１２ｂの占める範囲が多くなり、水平配列から垂直配列に配列状態が変わる液晶分子４の領域を少なくすることができ、液晶分子４の配列状態が両領域のギャップ幅ｄv、ｄhを求めるときに仮定した配列状態（図５及び図６）に近くなる。
【００３５】
また、こうして各ギャップ幅を設定した液晶表示装置に光学補償シートを追加すれば、更に視角依存性をなくすことができ、視角特性を向上させることができる。さらに、第１基板１側に、配向膜１ｃの配向方向と９０度をなす方向に延伸軸を有する一軸延伸フィルムを設け、この一軸延伸フィルムによってオン時に水平配列の状態を維持する液晶分子４ａのリタデーションを相殺するようにすれば、オン時に良好な黒表示を得ることができ、コントラストが向上する。
【００３６】
この実施例では、上偏光板の透過軸に対して４５度をなす方向で且つα＝７０°の方向から見た場合を説明したが、本発明はこの方向に限定するものではなく、他の方向から斜めに偏光板６を見たときに液晶層のリタデーションがほぼ同じ値になるように設定してもよい。ただし上偏光板６の透過軸と４５度の方向からの見たときのリタデーションが一番異なるので、透過軸に対して４０度から５０度の角度をなし且つαが０度から７０度に含まれる範囲のうちある方向から上偏光板６を見たときに、液晶層３のリタデーションがほぼ同じ値になるように設定すれば、視角特性が向上する。
【００３７】
またこの実施例では、上偏向板６を法線方向９から見たときの水平配列領域１２ａにおける液晶層３のリタデーションを約２７５ｎｍに設定したが、本発明はこの値に限定するものではない。ただしこのリタデーションが大きくなると表示が黄色っぽくなる色付きが生じ、リタデーションが小さくなると暗くなる。よってこの水平配列領域１２ａの液晶層３のリタデーションを約２００ｎｍから約３００ｎｍの範囲内になるように設定すれば、適切な表示が得られる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、液晶層に存在する液晶分子が水平配列した領域と垂直配列した領域が互いにリタデーションを補償しあうことによって、偏光板を斜めから見たときに液晶層のリタデーションの変化が小さくなるように、液晶層の水平配列領域と垂直配列領域のギャップ幅を設定しているので、視角依存性が小さくなり広視角の液晶表示装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるノーマリホワイトモードの液晶表示装置のオフ時における液晶分子の配列状態を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施例であるノーマリホワイトモードの液晶表示装置のオン時における液晶分子の配列状態を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施例である液晶表示装置を側面から見たときの該略図である。
【図４】本発明の一実施例である液晶表示装置を偏光板の法線方向から見たときの概略図である。
【図５】本発明の図４のＡ’−Ａ’線に沿った液晶分子の配列状態を模式的に示した図である。
【図６】本発明の図４のＢ’−Ｂ’線に沿った液晶分子の配列状態を模式的に示した図である。
【図７】従来の液晶表示装置を側面から見たときの該略図である。
【図８】従来の液晶表示装置を偏光板の法線方向から見たときの概略図である。
【符号の説明】
１ 第１基板
１ｃ 配向膜
２ 第２基板
２ｃ 配向膜
４ 液晶分子
５ 下偏光板
６ 上偏光板
７ａ、７ｂ 配向方向
８ａ、８ｂ 透過軸
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速応答性及び視角特性に優れた液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は薄型軽量、低消費電力という特徴があり、携帯端末からパーソナルコンピュータ、テレビに至るまで幅広く利用されている。こうした液晶表示装置にはその性能として高速応答や広視野角が要求され、その要求を満たすために様々な工夫がなされている。高速応答が可能な液晶表示装置として、例えば特開平９−１４６０８６号公報、特開平９−１９７３９７号公報、特開平１０−１２３５０５号公報に開示されているＨＡＮ配向（ｈｙｂｒｉｄ Ａｌｉｇｎｅｄ
Ｎｅｍａｔｉｃ）の液晶表示装置がある。
【０００３】
この従来の液晶表示装置を図７及び図８に基づき説明する。ここではオフ時に白表示となるノーマリホワイトモードの場合を説明する。図７は白表示（オフ時）における液晶表示装置の概略構成図であり、図８は白表示（オフ時）における偏光板の透過軸と液晶分子を配列状態との位置関係を示す概略図である。
【０００４】
この液晶表示装置は一方の基板１００ｂには水平配向処理を行い、他方の基板１００ａには垂直配向処理を行ったもので、オフ状態の場合は、液晶分子１０２は水平配向の基板１００ｂ側では水平配列し、垂直配向の基板１００ａ側では垂直配列し、その間の液晶層１０１で水平配列から垂直配列に徐々に配列状態を変化させている。また、オン状態の場合は、基板１００ｂ付近の液晶分子１０２ｂは水平配列になるが、それ以外の液晶分子は垂直配列する。
【０００５】
この液晶層１０１を挟んだ基板１００の上下には偏光板１０３が配置され、この偏光板１０３は、両偏光板１０３の透過軸１０７のなす角が９０度で、水平配向の基板１００ｂに対応する偏光板１０３ｂの透過軸１０７ｂが水平配向の配向方向と４５度をなすように設定されている。なお、透過軸を吸収軸に置換えても良い。図８では基板１００ｂ側の液晶分子１０２ｂ及び偏光板１０３ｂの透過軸１０７ｂを点線で示し、基板１００ａ側の液晶分子１０２ａ及び偏光板１０３ａの透過軸１０７ａを実線で示している。
【０００６】
基板１００ａと偏光板１０３ａの間には光学補償シート１０８を設けている。この光学補償シート１０８は、オン時の液晶層１０１と光学補償シート１０８の合成屈折率楕円体が球になるような屈折率楕円体を有しており、例えば１軸性又は２軸性の光学異方素子が用いられている。
【０００７】
そして透過軸１０７ｂを通過した入射光（直線偏光）は液晶層１０１の液晶分子１０２、光学補償シート１０８を通過して偏光板１０３ａへ達する。このとき液晶層１０１と光学補償シート１０８の合成屈折率楕円体が楕円体になるので、偏光板１０３ａへ達した光は液晶層１０１と光学補償シート１０８による複屈折効果により楕円偏光になり、透過軸１０７ａを通過して白表示になる。
【０００８】
また液晶層１０１に所定電圧が印加されると、液晶分子の配列状態が垂直配列に変化し、液晶層１０１と光学補償シート１０８の合成屈折率楕円体が球になる。したがって透過軸１０７ｂを通過した入射光（直線偏光）は、偏光板１０３ａに達したときに振幅方向が透過軸１０７ｂと同一方向の直線偏光を維持し、透過軸１０７ａを通過することなく黒表示になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしＨＡＮ配向の液晶表示装置は、偏光板１０３ａの表面の法線方向から見たときは良好な白表示が実現できるが、法線方向に対してある程度の角度をなす方向から見たときは、その方向によって光透過率等が異なり良好な表示が得られない。透過軸１０７の方向１０９から斜めに見る場合はあまり変化がないが、透過軸１０７と４５度の角度をなす方向１１０、１１１から斜めに見る場合はこの差が大きくなる。特に、水平配列している液晶分子１０２ａの長軸方向１１０から見た場合は液晶層１０１のリタデーションが大きくなるため偏光板１０３ａの正面から見たときに比べて着色したように見え、液晶分子１０２ａの短軸方向１１１から見た場合は液晶層１０１のリタデーションが小さくなるので偏光板１０３ａの正面から見たときに比べて暗くなってしまう。
【００１０】
こうした視角依存性を小さくするために、どの方向から偏光板１０３ａを斜めに見た場合も液晶層１０１と光学補償シート１０８の合成屈折率楕円体が球になるように、光学補償シートに様々な工夫することが試みられている。
【００１１】
そこで本発明は、液晶層の垂直配列の液晶分子と水平配列の液晶分子が互いのリタデーションを補償して液晶層自体に視角補償機能を持たせ、広視角化及び高速応答が可能な液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の本発明は、配向膜に垂直配向処理が施された一方の基板と水平配向処理がなされた他方の基板からなる一対の基板間に液晶層を挟み込み、前記一対の基板の上下に一対の偏光板を配置した液晶表示装置において、前記液晶層には前記偏光板表面の法線方向に沿って液晶分子が垂直配列した領域と水平配列した領域が存在し、前記偏光板を少なくとも異なる２方向から斜めに見たときの前記液晶層のリタデーションがほぼ一定になるように前記両領域のギャップ幅を設定したことを特徴とする。
【００１３】
また請求項２記載の発明は、配向膜に垂直配向処理が施された一方の基板と水平配向処理がなされた他方の基板からなる一対の基板間に液晶層を挟み込み、前記一対の基板の上下に一対の偏光板を配置した液晶表示装置において、前記液晶層には前記偏光板表面の法線方向に沿って液晶分子が垂直配列した領域と水平配列した領域が存在し、前記偏光板を少なくともある１方向から斜めに見たときの前記液晶層のリタデーションと前記偏光板を法線方向から見たときの前記液晶層のリタデーションがほぼ同じになるように前記両領域のギャップ幅を設定したことを特徴とする。
【００１４】
また請求項３記載の発明は、配向膜に垂直配向処理が施された一方の基板と水平配向処理がなされた他方の基板からなる一対の基板間に液晶層を挟み込み、前記一対の基板の上下に一対の偏光板を配置した液晶表示装置において、前記液晶層には前記偏光板表面の法線方向に沿って液晶分子が垂直配列した領域と水平配列した領域が存在し、前記偏光板表面を斜め方向から見た際に、液晶分子が水平配列した領域のリタデーションと液晶分子が垂直配列した領域のリタデーションが互いに補償しあって前記偏光板の法線方向に対して同一の角度を有する範囲から見たときの前記液晶層のリタデーションがほぼ一定になるように前記両領域のギャップ幅を設定したことを特徴とする。
【００１５】
また請求項４記載の発明は、前記両領域のギャップ幅が設定値になるように前記配向膜の配向アンカリングを調整したことを特徴とする。
【００１６】
また請求項５記載の発明は、一対の偏光板は、互いの透過軸又は吸収軸が約９０度をなすと共に、透過軸又は吸収軸が配向膜の水平配向方向と約４５度をなすように配置されていることを特徴とする。
【００１７】
また請求項６記載の発明は、偏光板を斜めから見る方向が、偏光板の透過軸又は吸収軸と４０度から５０度の角度をなすと共に、偏光板の表面の法線方向に対して１０度から７０度の角度をなす範囲に含まれることを特徴とする。
【００１８】
また請求項７記載の発明は、偏光板の表面の法線方向から液晶層を見たときの水平配列領域のリタデーションが約２００ｎｍから約３００ｎｍの範囲内になるように設定したことを特徴とする。
【００１９】
また請求項８記載の発明は、基板間には誘電率異方性が正のネマティック液晶が介在されていることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。この液晶表示装置はノーマリホワイトモードであり、図１は白表示（オフ時）における液晶分子の配列状態を示す概略構成図、図２は黒表示（オン時）における液晶分子の配列状態を示す概略構成図、図３はオフ時の液晶表示装置の側面該略図、図４は偏光板の透過軸と液晶分子の配列方向の関係を示す図である。
【００２１】
第１基板１はガラス基板１ａ上に画素電極１ｂ、配向膜１ｃを積層し、第２基板２はガラス基板２ａ上に透明電極２ｂ、配向膜２ｃを積層している。第１基板１上にスペーサを散布させた後、第１基板１と第２基板２をそれぞれの配向膜１ｃ、２ｃが向かい合うように所定の位置に対向配置し、両基板１、２の周辺をシール剤で固着する。第１基板１の配向膜１ｃには水平配向処理が施され、第２基板２の配向膜２ｃには垂直配向処理が施されている。両基板１、２間に誘電率異方性が正のネマティック液晶３が封入され、液晶分子４が配向膜１ｃ、２ｃの影響によって後述する配列を保っている。
【００２２】
第１基板１の下方には下偏光板５が配置され、第２基板２の上方には上偏光板６が配置されている。下偏光板５と上偏光板６はその表面の法線方向９から見たときに互いの透過軸８ａ、８ｂが直交するように配置され、且つ下偏光板５は透過軸８ａと第１基板１の配向方向７と４５度をなすように配置される。なお、この実施例では透過軸で説明するが、透過軸の代わりに吸収軸の場合でもよい。また、両基板１、２及び両偏向板５、６は平行に配置されるので、それらの表面の法線方向９は一致する。
【００２３】
オフ時（図１）は、第１基板１側の液晶分子４ａは配向膜１ｃの水平配向に影響されてプレチルト角θの傾斜で水平配列し、第２基板２側の液晶分子４ｂは配向膜２ｃの垂直配向に影響されて垂直配列する。なお、配向膜１ｃに影響される液晶分子４ａがプレチルト角を有することなく第１基板１と平行に水平配列していてもよい。
【００２４】
液晶分子４の水平配列領域１２ａのギャップ幅と垂直配列領域１２ｂのギャップ幅は、第1基板１の法線方向９に対して角度を有する斜め方向から見たときに、水平配列領域１２ａのリタデーションと垂直配列領域１２ｂのリタデーションが補償しあって液晶層３のリタデーションがほぼ一定になるように設定される。特に図１及び図４に示すように、水平配列している液晶分子４ａの長軸方向と同一方向ａ（β１＝４５°）から見たときと、この液晶分子４ａの短軸方向と同一方向ｂ（β２＝４５°）から見たときの液晶層３のリタデーションがほぼ同一になるように設定すれば、光量の変化が最小限に抑えられて視角依存性を小さくすることができる。このときの両領域のギャップ幅は各配向膜１ｃ、２ｃの配向アンカリングの強度を調整することで設定できる。
【００２５】
このオフ時の場合、振幅方向が透過軸８ａと同一方向の直線偏光（入射光）１０ａが下偏光板５を通過し、液晶分子４を介して上偏光板６へ到達する。このとき上偏光板６へ達した透過光１０ｂは液晶分子１０２によって複屈折されて楕円偏光になるので、このうち振幅方向が上偏光板６の透過軸８ｂと同一方向の直線偏光１０ｃが上偏光板６を通過して白表示になる。
【００２６】
また、水平配列領域１２ａの液晶分子４ａが透過光１０ｂに与えるリタデーションと垂直配列領域１２ｂの液晶分子１０ａが透過光１０ｂに与えるリタデーションが補償し合うので、例えば透過軸８ｂと４５度をなす方向ａ、ｂから斜めに見た場合も液晶層３のリタデーションがほぼ同じになり、どの方向から見てもほぼ同調の白表示になって視角特性が向上する。
【００２７】
オン時（図２）の場合、第１基板１付近の液晶分子４ａは水平配列するが、それ以外の液晶分子４は垂直配列する。そして下偏光板５を通過した直線偏光の入射光１０ａは入射時の状態をほぼ維持しながら液晶分子４を通過し、振幅方向が透過軸８ｂと直交する直線偏光１０ｄが上偏光板６に到達するので、透過光１０ｄは上偏光板６に遮られて黒表示となる。
【００２８】
次に水平配列領域のギャップ幅と垂直配列領域のギャップ幅の一例を説明する。図５は図１及び図４のａ方向から上偏光板６を見たときの光の進行路を説明する側面概略図であり、図６は図１及び図４のｂ方向から上偏光板６を見たときの光の進行路を説明する側面概略図である。なお、説明及び計算を簡単にするために液晶層３を垂直配列領域１２ｂと水平配列領域１２ａの２つに領域に分割し、垂直配列領域１２ｂの液晶分子４ｂは全て第１基板１の表面の法線方向９と平行に垂直配列し、水平配列領域１２ａの液晶分子４ａは全て第１基板１の表面の法線方向９と直交方向に水平配列するものとする。またこの例では、第１基板１の法線方向９に対して７０度（α）の方向から液晶層３を見たときのリタデーションがほぼ一定になるように設定する。
【００２９】
液晶分子４の屈折率は長軸方向ｎx＝１．５５７５、短軸方向ｎy＝１．４７５４とし、液晶層３のギャップ幅は垂直配列領域がｄv、水平配列領域がｄhとする。このとき水平配列領域１２ａの液晶層のリタデーションΔｎ・ｄh＝（ｎx−ｎy）・ｄhが約２７５ｎｍになるように予め設定する。これは上偏光板６の表面の法線方向９から見たときの液晶層３のリタデーションは、水平配列領域１２ａの液晶層のリタデーションと同一になる。そして一般に、液晶層のリタデーションをＲ、入射光波長をλとしたとき、透過率Ｉはsin2（Ｒπ／λ）に比例するので、λを人が最も感じやすい光の波長５５０ｎｍに設定すると、この光の透過率が最も高くなるのはＲ＝２７５ｎｍになる。したがって水平配列領域１２ａの液晶層のリタデーションを２７５ｎｍに設定すれば、上偏光板６を正面から見たときに良好な白表示が得られる。このようにΔｎ・ｄh＝２７５ｎｍの場合はｄh＝３３５０ｎｍになり、ｄhが決定する。
【００３０】
またα＝７０°の方向から見た場合、液晶層３における光の進行方向α’は約３８°になる（図５、図６）。
【００３１】
次にａ方向、α＝７０°のときの水平配列領域１２ａにおけるリタデーションＲh(ａ、α)を計算する。このときの水平配向領域１２ａにおける異常光屈折率ｎxh(ａ、α)は次式で表される。
ｎxh(ａ、α)＝ｎx・ｎy／（ｎx 2・sin2α’＋ｎy 2・cos2α’）0.5
また常光屈折率ｎyh(ａ、α)はｎyh(ａ、α)＝ｎy、水平配列領域１２ａにおける光路ｄh(ａ、α)はｄh(ａ、α)＝ｄh／cosα’で表せる。したがって水平配列領域１２ａにおけるリタデーションＲh(ａ、α)は次式で表せる。
ｎxv(α)＝ｎx・ｎy／（ｎx 2・cos2α’＋ｎy 2・sin2α’）0.5
また常光屈折率ｎyv(α)はｎyv(α)＝ｎy、垂直配列領域１２ｂにおける光路ｄv(α)はｄv(α)＝ｄv／cosα’で表せる。したがって垂直配列領域１２ｂにおけるリタデーションＲv(α)は次式で表せる。
【００３２】
まずａ方向から見た場合、水平配列した液晶分子４ａの長軸方向から見ることになるので、液晶分子４の配列状態をこの光路に沿って観察すると水平配列領域１２ａの液晶分子４ａの長軸方向と垂直配列領域１２ｂの液晶分子４ｂの長軸方向が一致する。よってこのときの液晶層３全体のリタデーションＲ（ａ、α）は次式で表せる。
【００３３】
こうして求めたギャップ幅ｄv、ｄhになるように配向膜１ｃ、２ｃの配向アンカリングの強度を設定する。ここで求めたギャップ幅ｄv、ｄhは液晶層の液晶分子４が図５、図６に示すように配列している場合の値である。しかし水平配列している液晶分子４ａはプレチルト角θで傾斜し、第１基板１から第２基板２までの液晶分子４は水平配列から垂直配列へ徐々に配列状態が変わっている。したがって求めたギャップ幅ｄv、ｄhに設定した後で実験等により各ギャップ幅を適正値に調整することで、白表示のときに斜め方向から見たときもリタデーションがあまり変わらない視角依存性の小さい液晶表示装置になる。
【００３４】
また、配向アンカリングの強度を求めたギャップ幅ｄv、ｄhの条件を満たす範囲でできるだけ強くすれば、水平配列領域１２ａと垂直配列領域１２ｂの占める範囲が多くなり、水平配列から垂直配列に配列状態が変わる液晶分子４の領域を少なくすることができ、液晶分子４の配列状態が両領域のギャップ幅ｄv、ｄhを求めるときに仮定した配列状態（図５及び図６）に近くなる。
【００３５】
また、こうして各ギャップ幅を設定した液晶表示装置に光学補償シートを追加すれば、更に視角依存性をなくすことができ、視角特性を向上させることができる。さらに、第１基板１側に、配向膜１ｃの配向方向と９０度をなす方向に延伸軸を有する一軸延伸フィルムを設け、この一軸延伸フィルムによってオン時に水平配列の状態を維持する液晶分子４ａのリタデーションを相殺するようにすれば、オン時に良好な黒表示を得ることができ、コントラストが向上する。
【００３６】
この実施例では、上偏光板の透過軸に対して４５度をなす方向で且つα＝７０°の方向から見た場合を説明したが、本発明はこの方向に限定するものではなく、他の方向から斜めに偏光板６を見たときに液晶層のリタデーションがほぼ同じ値になるように設定してもよい。ただし上偏光板６の透過軸と４５度の方向からの見たときのリタデーションが一番異なるので、透過軸に対して４０度から５０度の角度をなし且つαが０度から７０度に含まれる範囲のうちある方向から上偏光板６を見たときに、液晶層３のリタデーションがほぼ同じ値になるように設定すれば、視角特性が向上する。
【００３７】
またこの実施例では、上偏向板６を法線方向９から見たときの水平配列領域１２ａにおける液晶層３のリタデーションを約２７５ｎｍに設定したが、本発明はこの値に限定するものではない。ただしこのリタデーションが大きくなると表示が黄色っぽくなる色付きが生じ、リタデーションが小さくなると暗くなる。よってこの水平配列領域１２ａの液晶層３のリタデーションを約２００ｎｍから約３００ｎｍの範囲内になるように設定すれば、適切な表示が得られる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、液晶層に存在する液晶分子が水平配列した領域と垂直配列した領域が互いにリタデーションを補償しあうことによって、偏光板を斜めから見たときに液晶層のリタデーションの変化が小さくなるように、液晶層の水平配列領域と垂直配列領域のギャップ幅を設定しているので、視角依存性が小さくなり広視角の液晶表示装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるノーマリホワイトモードの液晶表示装置のオフ時における液晶分子の配列状態を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施例であるノーマリホワイトモードの液晶表示装置のオン時における液晶分子の配列状態を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施例である液晶表示装置を側面から見たときの該略図である。
【図４】本発明の一実施例である液晶表示装置を偏光板の法線方向から見たときの概略図である。
【図５】本発明の図４のＡ’−Ａ’線に沿った液晶分子の配列状態を模式的に示した図である。
【図６】本発明の図４のＢ’−Ｂ’線に沿った液晶分子の配列状態を模式的に示した図である。
【図７】従来の液晶表示装置を側面から見たときの該略図である。
【図８】従来の液晶表示装置を偏光板の法線方向から見たときの概略図である。
【符号の説明】
１ 第１基板
１ｃ 配向膜
２ 第２基板
２ｃ 配向膜
４ 液晶分子
５ 下偏光板
６ 上偏光板
７ａ、７ｂ 配向方向
８ａ、８ｂ 透過軸
Claims (8)
- 配向膜に垂直配向処理が施された一方の基板と水平配向処理がなされた他方の基板からなる一対の基板間に液晶層を挟み込み、前記一対の基板の上下に一対の偏光板を配置した液晶表示装置において、前記液晶層には前記偏光板表面の法線方向に沿って液晶分子が垂直配列した領域と水平配列した領域が存在し、前記偏光板を少なくとも異なる２方向から斜めに見たときの前記液晶層のリタデーションがほぼ一定になるように前記両領域のギャップ幅を設定したことを特徴とする液晶表示装置。
- 配向膜に垂直配向処理が施された一方の基板と水平配向処理がなされた他方の基板からなる一対の基板間に液晶層を挟み込み、前記一対の基板の上下に一対の偏光板を配置した液晶表示装置において、前記液晶層には前記偏光板表面の法線方向に沿って液晶分子が垂直配列した領域と水平配列した領域が存在し、前記偏光板を少なくともある１方向から斜めに見たときの前記液晶層のリタデーションと前記偏光板を法線方向から見たときの前記液晶層のリタデーションがほぼ同じになるように前記両領域のギャップ幅を設定したことを特徴とする液晶表示装置。
- 配向膜に垂直配向処理が施された一方の基板と水平配向処理がなされた他方の基板からなる一対の基板間に液晶層を挟み込み、前記一対の基板の上下に一対の偏光板を配置した液晶表示装置において、前記液晶層には前記偏光板表面の法線方向に沿って液晶分子が垂直配列した領域と水平配列した領域が存在し、前記偏光板表面を斜め方向から見た際に、液晶分子が水平配列した領域のリタデーションと液晶分子が垂直配列した領域のリタデーションが互いに補償しあって前記偏光板の法線方向に対して同一の角度を有する範囲から見たときの前記液晶層のリタデーションがほぼ一定になるように前記両領域のギャップ幅を設定したことを特徴とする液晶表示装置。
- 前記両領域のギャップ幅が設定値になるように前記配向膜の配向アンカリングを調整したことを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の液晶表示装置。
- 前記一対の偏光板は、互いの透過軸又は吸収軸が約９０度をなすと共に、前記透過軸又は吸収軸が前記配向膜の水平配向方向と約４５度をなすように配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の液晶表示装置。
- 前記偏光板を斜めから見る方向が、前記偏光板の透過軸又は吸収軸と４０度から５０度の角度をなすと共に、前記偏光板の表面の法線方向に対して１０度から７０度の角度をなす範囲に含まれることを特徴とする請求項１乃至請求項５記載の液晶表示装置。
- 前記偏光板の表面の法線方向から前記液晶層を見たときの水平配列領域のリタデーションが約２００ｎｍから約３００ｎｍの範囲内になるように設定したことを特徴とする請求項１乃至請求項６記載の液晶表示装置。
- 前記基板間には誘電率異方性が正のネマティック液晶が介在されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７記載の液晶表示装置。
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