JP4105437B2 - 垂直配向型液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置に関し、特に電圧無印加時に液晶分子が基板に対して垂直に配向する垂直配向型液晶表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
液晶表示装置における表示モードの1つとして、初期状態において液晶セル内の液晶分子が基板表面に対して垂直に配列する垂直配向モードがある。電圧無印加時には、液晶分子が基板表面に対して垂直に配列する。液晶セルの両側に直線偏光板を直交配置すると、黒表示が得られる。
【0003】
液晶セル内の光学特性は面内方向で等方的であり、理想的な視角(視野角)補償が容易に可能である。液晶セルの厚さ方向に正の1軸光学異方性を補償するため、厚さ方向に負の1軸光学異方性を有する光学素子を液晶セルの片面又は両面と直線偏光板との間に挿入すると、非常に良好な黒表示視角特性が得られる。
【0004】
電圧印加時においては、液晶分子が基板表面に垂直な方向から基板表面に平行な方向に向って配向を変化させる。この際、液晶配列の均一化が困難である。通常の配向処理である基板表面のラビング処理を用いると、表示品位が著しく低下する。
【0005】
電圧印加時における液晶配列を均一化するため、基板上の電極形状を工夫し、液晶層内に斜め電界が発生するようにし、均一配向を得る等の提案がある。この方法によれば、均一な液晶配列は得られるが、ミクロ的には不均一な配向領域が生じ、電圧印加時にこの領域が暗領域となる。従って、液晶表示装置の透過率が低下する。
【0006】
1/4波長板の視角特性を補償する報告が信学技報EIE2000−273に、垂直配向型液晶表示装置における視角特性を改善するために位相差フィルムを用いる報告がSID 98 DIGEST p315等になされている。
【0007】
本発明者等は、ランダム配向した状態を含む液晶層を有する液晶素子の両側に配置する直線偏光板を円偏光板に置き換えた構成を提案した(特願2000−273321)。円偏光板は、良く知られているように直線偏光子と1/4波長板との組み合わせによって構成される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等の先の提案による液晶表示装置は、視角特性が優れているとは言えない。
【0009】
本発明の目的は、視角特性の優れた垂直配向型液晶表示装置を提供することである。
【0010】
本発明の他の目的は、円偏光板を用いた垂直配向型液晶表示装置の視角特性を改善することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明の一観点によれば、
1対の基板間に、電圧無印加時に基板表面に対して垂直配向する誘電率異方性が負の液晶分子を含み、厚さ方向に光軸の存在する正の1軸光学異方性を有する垂直配向型液晶セルと、
前記垂直配向型液晶セルの両外側に配置された直線偏光板と、面内屈折率をn x 、n y 、厚さ方向の屈折率をn z としたときn x >n y <n z 及び(n x +n y )/2<n z 及びn x >n z の関係を有する正の2軸光学異方性材料で形成され、面内で1/4波長のリターデーションを示し、斜め方向から入射する光に対しても1/4波長板として機能する1/4波長板と、を含み、該1/4波長板の面内遅相軸(n x 方向)を直線偏光板の透過軸に対して45度の角度とし、一対の偏光板透過軸及び一対の1/4波長板の遅相軸が互いに直交する第1、第2の円偏光子と,
前記液晶セルと前記第1、第2の円偏光子との間に配置され、厚さ方向に光軸の存在する負の1軸光学異方性材料で形成され、前記液晶セルの厚さ方向に正の1軸光学異方性を補償する第1、第2の光学素子と、
を有する垂直配向型液晶表示装置
が提供される。
【0013】
直線偏光子に代えて、円偏光子を用いることにより透過率を向上し、さらに負の光学異方性を有する光学補償素子を用いることにより視角特性を改善する。
【0014】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明者等の先の提案による液晶表示装置を説明する。なお、液晶表示装置の特性を評価するため、シュミュレーター(シンテック社製LCD MASTER5.0)を用いた。又、液晶としてはメルクジャパン製MLC−2038(Δn=0.103)を想定し、液晶層厚は4.2μmとした。液晶セルは、厚さ方向に正の光学異方性を有し、厚さ方向に0.43μmのリターデーションを有する。基板界面のプレチルトは90度とした。直線偏光板は日東電工製G1220DUを想定し、各光学素子(位相差フィルム)の材質としてはポリカーボネートを想定した。
【0015】
図4(A)に先の提案による液晶表示装置の構成を示す。垂直配向型液晶セル13は、1対の基板間に垂直配向した液晶分子を含む。液晶セル13の上下に、円偏光子が配置されている。上側の円偏光子は、上側の直線偏光板11とその下の1/4波長板12の組み合わせからなる。
【0016】
1/4波長板12は、面内に光軸を有し、正の1軸光学異方性を有する光学素子で形成されている。矢印で示す直線偏光板11の透過軸の方位を面内25度とした。矢印で示す、1/4波長板12の遅相軸の方位は、偏光板の透過軸に対して45度の角度をなす70度である。1/4波長板12は、面内で137.5nmのリターデーションを示す。
【0017】
液晶セル13の下側にも、上側の1/4波長板14とその下の直線偏光板15の組み合わせからなる円偏光子が配置されている。1/4波長板14は、上側の1/4波長板12同様面内に光軸を有し、正の一軸光学異方性を有する光学素子で形成されている。1/4波長板14は、面内方向160度に遅相軸を有し、面内で137.5nmのリターデーションを示す。
【0018】
直線偏光板15は、1/4波長板の遅相軸に対し45度の角度をなす面内115度に透過軸が配置されている。上下の直線偏光板11、15は直交配置されており、上下の1/4波長板12、14の遅相軸も直交配置されている。
【0019】
図4(B)は、図4(A)に示す液晶表示装置の暗状態での等輝度曲線を示す。方位角方向を円周上に示し、半径方向に0度から80度の極角を示す。図から明らかなように、全方位においてかなりの光漏れが発生している。視角特性が優れているとは言い難い。
【0020】
図1(A)は、図4(A)の構成において1/4波長板12、14を厚さ方向に負の2軸光学異方性を有する光学材料で形成し、面内方向で1/4波長(137.5nm)のリターデーションを示すと共に、厚さ方向でも−150nmのリターデーションを示すようにしたものである。
【0021】
面内方向にx方向、y方向を取り、厚さ方向をz方向とする。厚さ方向に負の2軸光学異方性は、屈折率としてnx>ny>nzの関係を有する。なお、面内に光軸を有する正の1軸光学異方性は、nx>ny=nzの屈折率の関係を有する。後述する厚さ方向に正の2軸光学異方性は、nz>nx>nyの屈折率の関係を有する。
【0022】
垂直配向型液晶セル13は、1対の基板間に垂直配向した液晶分子を含む。液晶セル13の上下に、円偏光子が配置されている。上側の円偏光子は、上側の直線偏光板11とその下の1/4波長板12の組み合わせからなる。液晶セル13の下側にも、上側の1/4波長板14とその下の直線偏光板15の組み合わせからなる円偏光子が配置されている。
【0023】
1/4波長板12、14の厚さ方向に負の光学異方性により、液晶セル13の厚さ方向に正の光学異方性が補償される。
【0024】
図1(B)は、図1(A)に示す液晶表示装置の等輝度曲線分布を示す。図4(B)の等輝度曲線分布と比較すると、特に0度−180度方向、90度−270度方向の光漏れが大幅に改善されていることが分かる。しかしながら、この特性においても45度−225度(以下、45度方向とも呼ぶ)、135度−315度方向(以下135度方向とも呼ぶ)においては依然かなりの光漏れが存在する。
【0025】
この原因として、1/4波長板を斜め方向から観察した場合、1/4波長板としての機能を損なっているためと考えられる。斜め方向から観察した場合にも1/4波長板として機能するようにすれば、特性が改善すると考えられる。
【0026】
図2(A)は、視角特性を改善する垂直配向型液晶表示装置の他の構成例を示す。図中上から直線偏光板11、斜め方向からの入射光に対しても1/4波長板の機能を維持するように厚さ方向に正の2軸光学異方性素子を用いた1/4波長板12、垂直配向型液晶セルの厚さ方向に正の光学異方性を補償する厚さ方向に負の1軸光学異方性素子16、液晶セル13、光学素子16同様の、垂直配向型液晶セルの厚さ方向に正の光学異方性を補償する厚さ方向に負の1軸光学異方性素子17、1/4波長板12同様の、1/4波長板14、直線偏光板15が配列されている。
【0027】
1/4波長板12、14は、厚さ方向に正の光学異方性を有する2軸光学異方性材料で形成されている。1/4波長板12、14は、面内に137.5nmのリターデーションを有すると共に、厚さ方向に+60nmのリターデーションを示す。この構成により、1/4波長板12、14は、斜め方向から入射する光に対しても1/4波長板としての機能を維持する。
【0028】
代りに、液晶セル13の厚さ方向に正の光学異方性を補償する素子が消滅しているため、厚さ方向に光軸を有する、厚さ方向に負の1軸光学異方性を有する光学素子16、17が液晶セル13の上下に配置されている。厚さ方向を光軸とする負の1軸光学異方性は、nx=ny>nzの屈折率の関係を有する。光学素子16、17は、厚さ方向に−197nmのリターデーションを示す。
【0029】
図2(B)は、図2(A)に示す液晶表示装置の等輝度曲線分布を示す。正の2軸光学異方性を有する1/4波長板を用いたことにより、45度方向、135度方向においても視角特性が改善されている。しかしながら、45度方向、135度方向においては未だ光漏れが存在し、改善の余地があることが分かる。
【0030】
図3(A)は、垂直配向型液晶表示装置の他の構成例を示す。図中上から直線偏光板11、厚さ方向に正の2軸光学異方性を有し、面内で1/2波長(275nm)のリターデーション、厚さ方向に+120nmのリターデーションを示す光学素子18、面内で1/4波長(137.5nm)のリターデーション、厚さ方向に+60nmのリターデーションを示す厚さ方向に正の2軸光学異方性を有する光学素子12、厚さ方向に光軸を有し、厚さ方向に負の1軸光学異方性を有する光学素子16、垂直配向型液晶セル13、光学素子16同様の、厚さ方向に光軸を有し、厚さ方向に負の1軸光学異方性を有する光学素子17、光学素子12同様の、厚さ方向に正の2軸異方性を有する光学素子14、直線偏光板15が配列されている。
【0031】
図2の構成と比較すると、直線偏光板11と1/4波長板12との間に1/2波長板18が配置されている点が異なる。1/2波長板18は、厚さ方向に正の2軸光学異方性を有し、直線偏光板の光学特性を補償する。斜め方向から入射する光に対しても、直交偏光子の機能を維持させる。他の構成は図2(A)と同様である。
【0032】
図3(B)は、図3(A)に示す垂直配向型液晶表示装置の等輝度曲線分布を示す。45度方向、135度方向においても、光漏れがほぼ完全に解消されていることが分かる。
【0033】
なお、直線偏光板の光学特性を補償する光学素子として1/2波長板に代え、1/4波長板を配置することも可能であろう。透過型液晶表示装置に代え、透過/反射型垂直配向型液晶表示装置を構成することも可能である。
【0034】
図5は、半透過型垂直配向型液晶表示装置の構成例を示す。図2の構成と較べて、垂直配向液晶セルの内部に基板表面に部分的に形成された光路調整用構造物20とその上に形成された反射板(散乱反射板)19を含む。反射板19で反射された光は上方に戻る。反射板19上の液晶層は、半分の厚さになっていることが好ましい。すなわち反射板19表面の基板からの高さは液晶層厚の1/2が好ましい。
【0035】
光学素子は、均等のものを含む概念として用いた。例えば、1/4波長板は、1/4波長の位相差を生じるものの他、3/4波長、5/4波長等1/4波長板としての機能を示すものを含む概念である。1/2波長板も同様である。
【0036】
以上実施例の沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限られるものではない。例えば種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。
【0037】
【発明の効果】
垂直配向型液晶表示装置の視角特性が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 垂直配向型液晶表示装置の1構成例を示す斜視図及び特性を示すグラフである。
【図2】 垂直配向型液晶表示装置の他の構成例を示す斜視図及び特性を示すグラフである。
【図3】 垂直配向型液晶表示装置のさらに他の構成を示す斜視図及び特性を示すグラフである。
【図4】 先の提案による垂直配向型液晶表示装置の構成を示す斜視図及び特性を示すグラフである。
【図5】 垂直配向型液晶表示装置のさらに他の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
11、15 直線偏光板
12、14 1/4波長板(2軸異方性光学素子)
13 垂直配向型液晶セル
16、17 負の1軸異方性光学素子
18 正の2軸異方性光学素子(1/2波長板、1/4波長板)
19 反射板
20 構造物
Claims (3)
- 1対の基板間に、電圧無印加時に基板表面に対して垂直配向する誘電率異方性が負の液晶分子を含み、厚さ方向に光軸の存在する正の1軸光学異方性を有する垂直配向型液晶セルと、
前記垂直配向型液晶セルの両外側に配置された直線偏光板と、面内屈折率をn x 、n y 、厚さ方向の屈折率をn z としたときn x >n y <n z 及び(n x +n y )/2<n z 及びn x >n z の関係を有する正の2軸光学異方性材料で形成され、面内で1/4波長のリターデーションを示し、斜め方向から入射する光に対しても1/4波長板として機能する1/4波長板と、を含み、該1/4波長板の面内遅相軸(n x 方向)を直線偏光板の透過軸に対して45度の角度とし、一対の偏光板透過軸及び一対の1/4波長板の遅相軸が互いに直交する第1、第2の円偏光子と,
前記液晶セルと前記第1、第2の円偏光子との間に配置され、厚さ方向に光軸の存在する負の1軸光学異方性材料で形成され、前記液晶セルの厚さ方向に正の1軸光学異方性を補償する第1、第2の光学素子と、
を有する垂直配向型液晶表示装置。 - さらに、前記第1、第2の円偏光子の少なくとも一方の直線偏光板と1/4波長板との間に配置され、面内位相差が1/4波長、又は1/2波長で、n x >n y <n z 及び(n x +n y )/2<n z 及びn x >n z である正の2軸光学異方性材料で形成され、一方の直線偏光子の透過軸と平行な遅相軸を有し、斜め方向から入射する光に対しても直線偏光板の機能を維持させる第3の光学素子を含む請求項1記載の垂直配向型液晶表示装置。
- 前記液晶セルが、いずれかの基板表面に部分的に形成された光路調整用構造物と、その上に形成された反射層または透過・反射層とを含む請求項1または2記載の垂直配向型液晶表示装置。
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