JP4105437B2 - 垂直配向型液晶表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【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. 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。
2. 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。
3. 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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