JP4371356B2 - Ips方式液晶セルを含んでなるディスプレイおよびその作製方法 - Google Patents

Ips方式液晶セルを含んでなるディスプレイおよびその作製方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は面内(in-plain)スイッチングネマチック液晶ディスプレイセル、偏光子、および特定の補償フィルムを含んでなるディスプレイに関連する。
【0002】
【従来の技術】
液晶(LC)が、電子ディスプレイ用に広く用いられている。これらのディスプレイ系では、LC層は一般的に一組の偏光子層の間に配置される。第一の偏光子によって偏光された入射光は液晶セルを通り、液晶内の分子配向(セル全体に電圧を印加することによって変えることができる)によって影響される。変更された光は第二の偏光子に入る。この原理を用いて、外部光源(周囲光を含む)からの光の透過をコントロールすることができる。このコントロールに必要なエネルギーは、一般的に、他のディスプレイタイプ、例えば陰極管に用いられる発光材料に必要なエネルギーよりは非常に小さい。したがって、LC技法は、軽量、低電力消費かつ長寿命操作が重要な特徴である、これらに限定するものではないがデジタル時計、計算機、ポータブルコンピュータを含めた多くの電子画像形成装置に用いられる。コントラスト、色再現、および安定グレースケール明暗度は、液晶技術を用いる電子ディスプレイの重要な品質特性である。液晶ディスプレイのコントラストを制限している主要因は、暗または「ブラック」ピクセル状態にある液晶素子またはセルをとおって光が「漏れる」という傾向にある。さらに、この漏洩、そしてこのための液晶ディスプレイのコントラストはディスプレイスクリーンを見る角度による。一般的に、最適なコントラストは、ディスプレイに対する垂直入射を中心とした狭い視野角内においてのみ観察され、視野角が増加すると急激に低下する。カラーディスプレイでは、漏洩問題はコントラストを悪化させるだけでなく、色再現の悪化を伴う色または色相シフトも生じる。一般的なツイストネマチック液晶ディスプレイでは、ブラック状態光漏洩に加えて、この狭い視野角問題は、液晶材料の光学異方性のために、視野角の関数としての輝度−電圧曲線がシフトすることによって悪化する。
【0003】
コントラスト、色再現、および安定グレースケール明暗度は、液晶技術を用いる電子ディスプレイの重要な品質特性である。液晶ディスプレイのコントラストを制限している主要因は、暗または「ブラック」ピクセル状態にある液晶素子またはセルをとおって光が「漏れる」という傾向にある。さらに、この漏洩、そしてこのための液晶ディスプレイのコントラストはディスプレイスクリーンを見る角度に依存する。一般的に、最適なコントラストは、ディスプレイに対する垂直入射付近を中心とした狭い視野角内においてのみ観察され、視野角が増加すると急激に低下する。カラーディスプレイでは、漏洩問題はコントラストを悪化させるだけでなく、色再現の悪化を伴う色または色相シフトも生じる。
【0004】
液晶ディスプレイ(LCD)は、デスクトップコンピュータ、およびオフィス用または家庭用装置ののモニターとしてCRT(陰極管)急速にとって代わっている。大画面のLCDテレビモニタの数量も今後急速に上昇するであろう。しかし、もし着色、コントラスト劣化および輝度逆転等の視野角依存の問題が解決されないなら、従来のCRTの代替物としてのLCD用途は限定されるであろう。
【0005】
この問題を解決するために、いくつかの方法が提案されている。その一つは位相リターデーションフィルムをLCDの液晶セルと偏光子との間に配置することである。これらのフィルムが液晶セル内の光線によって悪くなる位相リターデーションを補償して、良好な画質を有する視野各領域を拡大する。第二の方法は、特定の液晶セル構造を用いることである。例えば、マルチドメイン方式では、各ピクセルにおける液晶配向を複数のサブピクセルに適当に分割することによって補償が成し遂げられる。
【0006】
これらの方法では、電界を液晶セルの面に対して垂直に適用して、液晶分子の光軸方向(光が複屈折を受けない方向)をコントロールする。これは、従来のLCDの輝度変動が主として液晶セル表面に対して垂直な面内における液晶光軸の変動によって生じることを意味する。これが、種々の方向への光線伝搬が位相リターデーションを受けるときに、視野角に強く依存する主たる原因である。
【0007】
Ohe等の米国特許第5,600,464号明細書には、液晶セルの平面内(以下「面内場」という)に電界を印加する方式が開示されている。この方式は、「面内スイッチング(In-Plane Switching)」方式を略して通常IPS方式と呼ばれる。IPS方式液晶ディスプレイでは、液晶の面内に留まったままで、液晶光軸がその方向を変える。これにより良好な視野角特性を生じる。視野角特性(VAC, Viewing Angle Characteristic)は、異なる見る方向からのコントラスト比の変化を説明する。ここで、見る方向を、液晶ディスプレイ101に関して、図1に示すように極視野角(polar viewing angle)αと方位視野角(azimuthal viewing angle)βとの組として規定する。極視野角αをディスプレイに直角な方向103から測定し、方位視野角βは、ディスプレイ面上の平面107内の適当な基準方向105とベクトル109のディスプレイ面107に対する投影108との間にひろがる。種々のディスプレイ画像特性、例えばコントラスト比、色および輝度は、角αおよび角βの関数である。
【0008】
IPS方式液晶ディスプレイの操作にはいくつかのタイプがある。リーン(Lien)等は、SIDダイジェスト(SID Digest)、1996年、p.175-178において、液晶が、最初にホモジニアス配向または90°ねじれ配向をとる種々のタイプを提案している。これらを、図2A、2B、2C、3A、3B、3C、4A、4Bおよび4Cを参照して説明する。
【0009】
図2Aは、OFF状態(面内電界の無い状態)にあるホモジニアス型IPS方式液晶セルを上から見た図である。液晶セル光軸201は、偏光子203の透過軸と平行方向に一様に配向している。一対の偏光子の透過軸203、204は交差している。ここでは、「交差する」とは、透過軸が90°±10°の範囲の角を形成することをいう。一対の電極205A、205Bは、スイッチ209を備えた電源207に接続されている。全ての図に示すスイッチ209は単なる略図である。図に示すスイッチは、一般的なスイッチ素子、例えば、アクティブマトリックスディスプレイの一つの画素をオン、オフするのに通常用いられる薄膜トランジスタ(TFT)を表す。図2Bおよび2CはON状態(面内電界が印加された状態)を示す。液晶の誘電異方性の符号にしたがうと、それらは矢印202で示す面内電界方向に対して平行(正の異方性、図2B)または垂直(負の異方性図2C)に配向する。
【0010】
図3A、3Bおよび3Cは、図2A、2Bおよび2Cに各々対応する側面図である。ホモジニアス型IPS方式液晶ディスプレイ301は、2つのガラス板309Aおよび309Bを有する。第一偏光子302が、ガラス板309Aに取付けられており、第二偏光子は、ガラス板309Bに取付けられている。図3Aは、液晶光軸304が、第一偏光子302の透過軸に対して平行である場合はOFF状態である。図3Bでは、液晶光軸304が、電極307Aおよび307Bの間に印加された面内電界305の方向に対して平行にに配向しているが、図3Cでは、面内電界305の方向に対して垂直である。誘電異方性の符号は図3Bでは正であり、図3Cでは負である。OFF状態(図2Aおよび3A)では、液晶光軸304が第一偏光子302の透過軸に対して平行であるので、光は複屈折に遭遇することなく、第二偏光子303によってブロックされる。したがって、OFF状態は暗状態を与える。ON状態(図2B、2C、3Bおよび3C)では、光軸304はある角度だけそのもと方向から偏向しているあいだ、入射光は位相リターデーションをうける。その結果、出ていく光はもはや直線的に偏光されてない。したがって、光の一部が第二偏光子303を通り抜ける。これは明状態に相当する。しかし、現実の適用では、液晶光軸304は、OFF状態の場合の図Dに示すように、液晶セル面(309A、309Bのようなガラス板の面に平行な面)に対して非ゼロチルト角φ(ファイ)を有する。これは、機械的なラビングによるような配向操作の結果であり、通常は10°未満である。我々は、液晶光軸304の方位角方向を、セル表面310へのその投影によって規定する。それ故、OFF(暗)状態の場合、それは、偏光子302の透過軸に対して平行に一様に配向する液晶光軸304の方位角方向311である。
【0011】
図4AはOFF状態にあるツイスト型IPS方式液晶ディスプレイの側面図である。ツイスト型IPS方式液晶ディスプレイ411は、底部および最上部ガラス板401A、401Bならびに一対の偏光子402および403から形成される。第一偏光子402がガラス板401に取付けられており、第二偏光子403はガラス板401B上に置かれている。この場合、一対の偏光子402および403の透過軸は平行である。ここで、「平行」とは、一対の偏光子の透過軸が0°±10°の範囲の角を形成することをいう。液晶光軸405は90°方位角ねじれを示す。図4Aでは、ねじれは、液晶光軸405が矢印407によって示される厚みを増す方向に従って反時計方向に回転することを意味する右回りである。厚み方向で時計回りに回転する場合は、左回りねじれという。2つの電極413A、413Bの間に面内電界を印加すると、ねじれの巻き戻しが起きる。図4Bおよび図4Cは、それぞれ正および負の誘電異方性の場合の、面内電界を有するON状態にある液晶の状態の略図である。OFF状態(図4A)では、偏光子402の透過軸の方向に変更された入射光は90°回転され、第二の偏光子403によって吸収される。これは暗状態を与える。これに対しON状態(図4Bおよび4Cに相当する)は、液晶光軸405のねじれ配位の巻き戻しのために、第二偏光子403に入るときは光がもはや直線的に偏光されていないので、明状態である。通常、光軸405は液晶セル面401に対して非ゼロチルト角φを有する(ここではそれはガラス板401A、401Bの面に平行な面に対して平行である)。液晶光軸405の方位角方向406を、液晶セル平面441上への光軸405の投影によって規定する。
【0012】
位相リターデーションフィルムを用いて、IPS方式液晶ディスプレイのVACを改善するいくつかの試みがなされている。図5A、5B、5Cおよび5Dは、屈折率楕円体によって表される種々のタイプの位相リターデーションフィルムである。図5Aでは、光軸503の方向は面501内にある。対応する屈折率は異常光屈折率neである。もう一方の屈折率は常光屈折率noである。ne>noである場合、正A−フィルムと呼び、そうでないものは負A−フィルムと呼ぶ。図5Aは、正の場合を示す。図5Bに示されるように、光軸505が平面501に対して垂直である場合、通常、このフィルムはC−フィルムと呼ばれる。ne>noである場合、正であり、そうでない場合は負である。図4の例は負である。A−フィルムおよびC−フィルムは一軸フィルムであり、二つの異なる屈折率、常光屈折率noおよび異常光屈折率neがある。一軸媒体の場合、フィルムの結晶性配向を説明するのにそれらの光軸を用いることができる。また、図5Cに示すように3つの主屈折率nx0、ny0およびnz0が全て異なる二軸媒体の場合もある。遅い軸は最も大きな屈折率の方向にある。図5Cに示す例では、最大屈折率はnz0であるので、遅い軸509はフィルム面501に対して垂直である。図5Dに示すように、一般的に、遅い軸511はフィルム平面501に対して任意の方向を指し示すことができる。二軸媒体では光軸は遅い軸に対して必ずしも平行でない。しかし、我々は以下の二軸媒体の配向を説明するのに遅い軸を用いる。
【0013】
米国特許第6,184,957号には、IPS方式液晶ディスプレイために負の複屈折(n<n)を有するフィルムを用いることが開示されている。IPS方式液晶セルと組合せると、この方法は特定の視野角内のグラデーションおよび彩色の反転を防止する。図6Aはツイスト型IPS方式液晶ディスプレイ631に対するこの方式の適用を示す。ツイスト型IPS方式液晶セル607が、偏光子603とフィルム605との間に挟まれている。もう一つの偏光子607はフィルム605の最上部に配置されている。この場合のフィルム605は、負の複屈折材料からなっており、その光軸はフィルム面に対して平行の面内で90°の方位角ねじれを示す(ツイスト構造フィルム)。この例のフィルム605におけるねじれの向きは、液晶セルのねじれに対して反対となるように選択される。一対の偏光子の透過軸609、611は、この場合交差されている。図6AのディスプレイのVACを図6Bに示す。円621、623および625はそれぞれコントラスト比400、800および1200を表す。線627は、極視野角α30°での方位視野角0°≦β<360°のコントラスト比の変動を描く。この補償方法は、未補償の場合と比較するといくらか改善を示すが、βが45°、135°、225°、または315°の場合にコントラスト比が低下する。
【0014】
IPS方式液晶ディスプレイを補償するもう一つの試みでは、サイトウ(Saitoh)等は、SIDダイジェスト(SID Digest)、1998年、p.706-709において、ホモジニアス型IPS方式液晶ディスプレイの改善を提案した。これは、ホモジニアス型IPS方式液晶セルと偏光子との間に位相リターデーションフィルムを配置することによって達成された。ホモジニアス型IPS方式液晶ディスプレイ717を図7Aに示す。一つの二軸補償フィルム701が、ホモジニアス型IPS方式液晶セル703と一対の偏光子705および707と組合せて用いられている。二軸補償フィルム701の遅い光軸709の方向は、偏光子705の透過軸711の方向、およびOFF状態のホモジニアス型IPS方式液晶セル703の液晶光軸713の方位角方向と平行である。もう一方の偏光子705の透過軸711は、他方の偏光子707の透過軸715に対して直角である。この構成は、OFF状態での光漏洩を低下させ、それによりコントラスト比を高める。しかし、この方法は、図3Dの場合のような非ゼロチルト角φを有する場合では、深刻な制限がある。上述したように、実際の適用における配向操作の結果として、液晶光軸304は液晶セル面310に対して非ゼロチルト角φを有する。これは、OFF状態で光漏洩へと導き、コントラスト比を悪化させる。図7Bおよび7Cは、それぞれ、φ=2°およびφ=4°のOFF状態とON状態との間のコントラスト比の極プロットである。コントラスト比721,731(ここで、コントラスト比、300、600および900は、円723、725および727にそれぞれ対応する)の変動を、極視野角α=30°の場合の方位視野角0°≦β<360°のコントラスト比の変動に対してプロットした。これらは、液晶光軸のチルト角φの増加によって生じる広範な方位視野角βにおけるコントラストの悪化を実証する。例えば、コントラスト比は、β=150°および330°のところで、φ=2°チルト(図7B)の550から、φ=4°チルトの場合(図7C)では、300より下に低下する。
【0015】
上述したIPS方式および補償方法は、ある範囲まで液晶ディスプレイのVACを改善した。しかし、慎重な試験の後、発明者等は従来技術のIPS方式液晶ディスプレイが満足のいく視野品質を達成していないことを悟った。これは、主として高視野角におけるコントラスト比の悪化のためである。それは、一部は、液晶セル面に対して液晶光軸が配向されている無視できないチルト角φによって生じるOFF状態の光漏洩に起因している。また、交差させた偏光子からの光漏洩も視野品品質を低下させる。
【0016】
【特許文献1】
米国特許第5,600,464号
【特許文献2】
米国特許第6,181,400号
【特許文献3】
米国特許第6,184,957号
【特許文献4】
米国特許第6,245,398号
【特許文献5】
米国特許第6,362,032号
【非特許文献1】
マーチンシャド(Martin Schadt)等著「単基板上のハイブリッド液晶ポリマーフィルム光誘導配向およびパターン二ング」(Photo-induce d Alignment and Patterning of Hybrid Liquid Crystalline Polyme r Films on Single Substrates)、応用物理日本ジャーナル(Japanese Journal of Applied Physics)、 第2部、第34巻、No.6B、1 995年6月15日、p.L764-767
【非特許文献2】
エイ.リーン(A. Lien)等著「面内スイッチング方式LCDの2−Dシミュレーション」(2-D Simulations of In-Plane Switching-Mode LCDs)、SIDダイジェスト(SID Digest)、1996年、p.175-178
【非特許文献3】
ワイ.サイトウ(Y. Saitoh)等著「光学補償された面内スイッチング方式TFT−LCDパネル」(Optically Compensated In-Plane-Swi tching-Model TFT-LCE Panel)、SIDダイジェスト(SID Digest)、 1998年、p.706-709
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
IPSネマチック液晶ディスプレイのVACを改善することが解決すべき問題点である。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明は、面内スイッチング(IPS)方式液晶セル、偏光子、および補償フィルムを含んでなるディスプレイであって、前記補償フィルムが、前記液晶セル面に垂直な平面内でチルトされているその光軸に対して配向された正の複屈折材料を有するディスプレイを提供し、そしてそれを用いる画像形成方法を提供する。そのようなディスプレイは改善された視野角特性(VAC)を示す。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明の種々の要素に数字を付した図面を参照して、本発明を当業者にも実施可能であるように具体的に説明する。
【0020】
図2A、2Bおよび2Cは、ホモジニアス型IPS方式液晶ディスプレイの動作方式を示したものである。図2Aに示すようにOFF状態では、液晶光軸201は、第一偏光子203の透過軸と平行である。図2Bおよび2Cに示すように、ON状態では、液晶光軸201は、偏光子透過軸の方向203から外れる。図3A、3Bおよび3Cは、図2A、2Bおよび2Cにそれぞれ対応する断面図である。OFF状態では、第一偏光子302を通る光は複屈折に会わないであろうから、第二偏光子303によって吸収される。このようにしてOFF状態は暗状態を提供する。一方、ON状態では、液晶光軸304が第一偏光子302の透過軸の方向から外れているので、光は液晶セルの複屈折を受ける。この光が第二偏光子303に到達すると、それはもはや第二偏光子の透過軸に対して直角方向に直線的に偏向されておらず、これが明状態を生じる。
【0021】
高コントラスト比を達成するための鍵の一つは、OFF状態での光漏洩を防止することである。OFF状態では、光軸は偏光子302の透過軸上にあるので、交差させた偏光子を補償することによって光漏洩を減らすことができる。この方法(図7Aに示す)は、VACにおいていくつかの改善を示す。この方法にしたがうと、二軸補償フィルム701がホモジニアス型IPS方式液晶セル703と偏光子705との間に配置される。一対の偏光子705、717の透過軸711、715は交差されている。二軸補償フィルム701の遅い軸709は、IPS方式液晶セル703(この場合では、水平方向から75°をとっている)の液晶光軸713の方位角方向および偏光子705の透過軸711に対して平行である。しかし、図3Dの場合のように、液晶セル面310に対して非ゼロチルト角φの光軸304が存在すると、OFF状態で、光をブロックし損なう。光漏洩のために、適当な補償方法を伴わないと全ての方位視野角βで高コントラスト比を達成できない。例えば、図7Bおよび7Cでは、それぞれ、チルト角φ=2°およびφ=4°の場合の、コントラスト比の方位視野角依存に関して、視野角特性(VAC)の補償が行われている。極視野角αが30°のところでのコントラスト比をとった。線721は、チルト角φ=2°の場合のコントラスト比の極プロットである。図7Cが実証するように、チルト角4°に増加すると、線731に示すようにコントラスト比が低下する。本発明では、ホモジニアス型IPS方式液晶ディスプレイのVACは、当該ディスプレイとセル表面に垂直な平面においてフィルムの光軸がチルトしている補償フィルムと組合せることによって著しく改善される。
【0022】
本発明にしたがう、ホモジニアス型IPS方式液晶ディスプレイ用の補償フィルム805、813は、図8Bおよび8Cに示すように、ベースフィルム811の上に配置された光学異方性層809を有する。ベースフィルム811の光学特性は、図5Bに示すような一軸の正C−フィルムの光学特性と近いのが好ましい。フィルムに対して直角の遅い軸を有する二軸フィルム(例えば、図5Cに示すようなもの)も、ベースフィルム811として用いることができる。ベースフィルム811(厚みdbase)の面外位相リターデーションRbaseは、一軸の場合(図5Bに相当する)は、
base=dbase(ne base−no base
で与えられ、二軸の場合(図5Cに相当する)は、
【0023】
【数1】
【0024】
で与えられる。ここで、no baseおよびne baseは、それぞれ、一軸ベースフィルムの常光線および異常光線の場合の屈折率である。nxo base、nyo baseおよびnzo baseは、図5Cおよび5Dに示す構成での、二軸ベースフィルムの3つの主たる屈折率である。Rbaseの好ましい値は、60nm<Rbase<100nm、より好ましくは、70nm<Rbase<90nmである。
【0025】
異方性層809は、一軸または二軸性の光学特性を備えた材料を有する。この材料の光軸の方向は、フィルム面上の一定の方位角で固定されている。方位角を、ベースフィルム811と光学異方性材料809の層との間にある配向層(示されてない)によって固定することができる。一軸性を備えた材料の場合、図8Aに示すように、楕円体801の屈折率によって表すne ans.=n3よりも小さい2つの等しい屈折率no ans.=n1=n2を有する。ここで、no ans.およびne ans.は、それぞれ、異方性層の構成材料の、常光屈折率および異常光屈折率である。一軸の場合、光軸803の方向は最大屈折率n3に対応し、この材料は正複屈折である。二軸の場合、全ての屈折率は値が異なると仮定し、これらの光軸は、必ずしも最も大きな屈折率方向にある必要はない。
【0026】
本発明にしたがう補償フィルム805、813を図8BおよびCに示す。正の複屈折材料をベースフィルム811上に付着させる。図8Bでは、この材料807の光軸は、フィルム厚をとおして角度θ1で一様にチルトしているが、図8Cでは、チルト角は変化し、θ2≠θ3である。2種類の可能な場合がある。即ち、チルト角が増加する場合(θ2<θ3)または減少する場合(θ2>θ3)である。フィルム815の方位角方向を、ベースフィルム811の面(図8Bおよび8Cでのx−y平面に対応する)上への光軸チルト方向807の投影によって規定する。
【0027】
一様な場合、チルト角θ1は、0°<θ1≦10°または、好ましくは、2°<θ1≦8°である。チルト角が変化する場合、2つの場合がある。即ち、1)チルト角の減少(θ2>θ3)および2)チルト角の増加(θ3>θ2)である。減少する場合、θ2およびθ3は、10°≦θ2≦20°、0°≦θ3≦10°であり、より好ましくは、10°≦θ2≦15°、0°≦θ3≦5°である。増加する場合、θ2およびθ3は、0°≦θ2≦10°、10°≦θ3≦20°であり、より好ましくは、0°≦θ2≦5°、10°≦θ3≦15°である。積、dans(ne ans−no ans)は、好ましくは、120nm<dans(ne ans−no ans)<150nmによって与えられる範囲にあり、より好ましくは130nm<dans(ne ans−no ans)<145nmによって与えられる範囲にある。ここでdansは、異方性層809の厚みである。
【0028】
図9Aは、本発明にしたがうホモジニアス型IPS方式液晶ディスプレイ921の例を示す。一対の偏光子907、908の透過軸は交差している。IPS方式液晶セル903を、補償フィルム905と偏光子908との間に配置する。他方の偏光子907の透過軸909は補償フィルム913の方位角方向に対して平行である。それは、OFF状態のホモジニアス型IPS方式液晶セル903の液晶光軸911の方位角方向に対しても平行である。一対の偏光子908、907の透過軸901、909は交差している。補償フィルム905は図8Cに示すような正のC−フィルム光学特性を有するベースフィルムを含むフィルム813の構成を有する。得られたVACを図9Bに示す。同心円923、925,927は、それぞれ、300、600および900のコントラスト比を示す。線929は、ディスプレイをディスプレイ垂直から30°のところ(α=30°)で見た場合の、方位視野角βの変化におけるコントラスト比の変化を示す。図7Cに示した従来技術ディスプレイ717のVACと比較すると、本発明のディスプレイのコントラスト比の改善が、図9Bに示すVACによって実証された。ディスプレイ717および921は液晶光軸304の同じチルト角φ=4°を有する。例えば、β=150°および330°におけるコントラスト比は300未満から550以上に増加した。補償フィルム905もまた図8Bに示すようなフィルム805の構成をとってもよいことは理解されよう。
【0029】
本発明にしたがうと、ツイスト型IPS方式液晶ディスプレイを、液晶セル面に垂直な平面内でチルトした光軸を有する、配向された正の複屈折材料を含有する補償フィルムと、ツイスト構造フィルムとの組合せによって補償する。ツイスト構造フィルムは、光軸の方向においてツイスト構造を示す負の複屈折材料を含んでなる。補償フィルムは液晶セル面に垂直な平面内でチルトした光軸を有する、配向された正の複屈折材料を含有する。
【0030】
本発明にしたがうと、また、ツイスト型IPS方式液晶ディスプレイは、液晶セル面に垂直な平面内でチルトした光軸を有する、配向された正の複屈折材料と、厚み方向にわたってねじれた光軸を有する負の複屈折材料とを含んでなるフィルムによって補償される。
【0031】
ツイストネマチック方式液晶ディスプレイにおいて、負の複屈折ツイスト構造フィルムを使用することが、米国特許第6,184,400号明細書に開示されている。図10Aは、負の複屈折材料の屈折率楕円体1001を示す。光軸は矢印1003によって示される方向に在る。屈折率は関係式:n3<n1≒n2を満たす。ここで、一軸の場合は、ne neg=n3であり、no neg=n1=n2(即ち、ne neg<no neg)である。負の複屈折材料の常光線および異常光線屈折率を、no negおよびne negで表す。
【0032】
ツイスト構造フィルム1013の例を、図10Bに示す。ツイスト構造層1011がベースフィルム1009の上に付着されている。ベースフィルムの光学特性は等方性であるのが好ましい。当該技術分野で周知であるように、等方性材料は主たる屈折率が等しい、即ち、n1=n2=n3である。弱い一軸または二軸特性を有するフィルムも用いることができる。層1011の内部では、負の複屈折率を有するフィルムの光軸1005、1007が、当該フィルムの面内で90°回転する。回転の左右像は、ツイスト型IPS方式液晶セルのそれとは反対となるようにとるのが最適である。図10Bの例では、層1011内の回転は右回りである。フィルムの厚みdnegは、式:0.8Rcell<dneg(no neg−ne neg)<1.2Rcellを満たし、より好ましくは、式:0.9Rcell<dneg(no neg−ne neg)<1.1Rcellを満たす。ここで、Rcellは、ツイスト型IPS方式液晶セルの位相リターデーションである。これは、Rcell=dcell(ne lc−no lc)によって与えられる。dcellは、ツイスト型IPS方式液晶セルの厚みである。no lcおよびne lcは、それぞれ、常光線および異常光線における液晶の屈折率である。
【0033】
ツイスト型IPS方式液晶ディスプレイの補償フィルムは、図8Bに示すフィルム805または図8Cに示すフィルム813の構造を有する。図8Bのようなチルトが一様な構造に関しては、θ1は、好ましくは、0°<θ1<6°または、より好ましくは、0°<θ1<4°である。図8Cの場合のようにチルトが変化する場合は、2つの場合がある。即ち、1)チルト角の減少θ2>θ3および2)チルト角の増加(θ2<θ3)である。最初の場合、好ましい値は、0°≦θ2≦8°、0°≦θ3≦4°であり、より好ましくは、0°<θ2≦4°、0°≦θ3≦2°である。増加する場合、これはまさに減少する場合の反対であって、0°≦θ2≦4°、0°<θ3≦8°であり、好ましい値は、0°≦θ2≦2°、0°<θ3≦4°である。
【0034】
図11Aは、本発明にしたがうディスプレイの態様1149の一つである。ツイスト型IPS方式液晶セル1107は、補償フィルム111とツイスト構造1105の間に挟まれている。一対の偏光子1103および1109を用い、それらの透過軸1101および1113は交差されている。当該補償フィルム111の方位角方向1115は、隣接する偏光子1109の透過軸1113に対して平行である。
【0035】
図11Bは、OFF状態にある図11Aのディスプレイ1149の断面図である。ツイスト型IPS方式液晶セル1107は、底部ガラス板1123Aおよび最上部ガラス板1123Bならびに面内電界を印加するための一対の電極1125Aおよび1125Bを有する。当該セルの底部のところでは、液晶光軸1173の方位角方向1171は、偏光子1109の透過軸に対して平行である。当該セルの最上部のところでは、液晶光軸(示されてない)の方位角方向1163は、最上部のところで偏光子1103の透過軸に対して平行である。ベース層1104上に付着させたツイスト構造層1167内部は、負の複屈折材料がツイスト構造をとる。図11Bに示した例では、ツイスト型IPS方式液晶セル1107内部の液晶光軸ねじれの左右像は右回りである。対応して、ツイスト構造層1167は左回りねじれ構造である。ツイスト構造層1167の光軸1161およびそれらの境界面1165のところでの液晶光軸の方位角方向1163は、相互に平行である。
【0036】
図11Cは、液晶セル面に垂直な面内にチルトした光軸を有する正の複屈折材料および厚み方向にわたってねじれた光軸を有する負の複屈折材料を含んでなるフィルムを有するディスプレイ1159の断面図である。この場合、当該セル1107を補償するフィルムは、ツイスト構造層1167が補償フィルム111の上に付着した構造を有する。補償フィルム1111は、図8Bに記載した構造(805)を有してもよく、また図8Cに記載した構造(813)を有してもよい。図11Aおよび11Bのディスプレイの場合は、ツイスト構造層1167の光軸1161およびそれらの境界面1165のところでの液晶光軸1169の方位角方向1163は、相互に平行である。
【0037】
図11Dは図11Aおよび11Bに示すツイスト型IPS方式液晶ディスプレイ1149のVACである。この例では、補償フィルム1111の構造は図8Bに示した805の構造である。極視野角α=30°のところでのコントラスト比の変化に関するVACを表す線1151を、0≦β<360°に対してプロットした。円1153、1155、1157はそれぞれ、コントラスト比400、800および1200に対応する。図6Aに示した従来技術のツイスト型IPS方式液晶ディスプレイ631のVAC(図6B)と比較すると、本発明のディスプレイが改善されている。例えば、β=45°、135°、225°および315°のところでのコントラスト比は、400から800超に増加した。ディスプレイ1159はディスプレイ1149と同じVACを示す。
【0038】
図8Bおよび8Cによって示した光学異方性層809を種々の方法で作製することができる。一例は、Schadt等(Japanese Journal of Applied Physics, Part2 (Letters) v34, n6, 1995,pp.L764-767)によって提案されているような光配向法である。例えば、薄い配向層をベースフィルム上に塗布し、続いて偏光させた光を照射する。そして液晶モノマーをこの配向層の上に塗布し、さらに照射して重合させる。この異方性層内の光軸のチルトは、照射角度、異方性層の厚みならびに材料の特性に依存する。また、配向層の表面を機械的にラビングすることによっても所望の配向を得ることができる。他の公知の方法は、剪断力配向および電界または磁界効果を用いる。層の底部のところ1011での光軸1007が一様となるように、同じ配向方法を用いて、負の複屈折フィルムからなるツイスト構造フィルムを調製してもよい。例えば、米国特許第6,245,398号明細書に記載されている方法によって、所望の左右像を有する層厚み方向内のツイスト構造を得ることができる。
【0039】
米国特許第6,362,032号明細書に教示されているもののように、IPS方式液晶ディスプレイでは種々の電極構成がある。ONまたはOFF状態の一つにおいて、光軸が液晶セル面に対して十分に平行(±10°内)を保ったままである場合に、電極構成の全ての変形を伴うIPS方式液晶ディスプレイに本発明を等しく適用することができる。
【0040】
本発明を液晶ディスプレイ装置と組合せて用いることができる。この制御を実現するのに要するエネルギーは、一般的に、陰極管等の他のディスプレイタイプに用いられる発光材料に必要なエネルギーよりも非常に少ない。したがって、液晶ディスプレイ技法は、軽量、低電力消費および長寿命が重要な特徴となる、デジタル時計、計算機、ポータブルコンピュータ、電子ゲーム機器を含めた(これらに限定されない)多くの用途に用いられる。
【0041】
【実施例】
以下の例では、Merck Inc.由来の液晶ZLI-4621を用いた。
例1:図9Aに示すようなホモジニアス型IPS方式液晶ディスプレイ921セル厚は3.47マイクロであり、550nmの波長の光でRcell=342nmとなる。補償フィルム905は、図8Cに示すフィルム構造813を有し、θ2=11°、θ3=2°である。異方性層809は、積、dans(ne ans−no ans)=140nmを有する。ベースフィルムは、Rbase=80nmの正のC−フィルム光学特性を有する。OFF状態は、印加電圧0Vに対応し、ON状態では印加電圧は10Vである。2つの隣接する電極間の距離は15μmであり、電極の幅は7μmである。セル面310のところの液晶光軸のチルト角φは4°である。このディスプレイ構成をを図9Aに示し、そのVACを図9Bに示す。
【0042】
本発明のディスプレイ921は、図7Cに示される従来技術717のディスプレイよりも良好なVAC(図9Bに示す)を有する。コントラスト比は、ディスプレイ921の広範な方位視野角において、図7Aに示す従来技術のディスプレイ717よりも増加した。
【0043】
例2:図11Aおよび11Bに示すようなツイスト型IPS方式液晶ディスプレイ
セル厚は4.96μmである。二つの隣接電極間の距離は15μmであり、電極幅は7μmである。ツイスト型IPS方式液晶セルの液晶光軸は90°ねじれており、このねじれは右回りである。補償フィルム1111は図8Bに示すようなフィルム構造805を有する。θ1=2°である。補償フィルムのベースフィルム811の位相リターデーションRbaseは80nmである。異方性層809は、積、dans(ne ans−no ans)=135nmを有する。ツイスト構造フィルム1105のベースフィルム1104を光学的に等方性であると仮定する。このツイスト構造相1167内の負複屈折材料の光軸は90°ねじれており、このねじれは左回りである。等式:dneg(no neg−ne neg)=dcell(ne lc−no lc)とする。OFF電圧は0VでありON電圧は13Vである。液晶光軸のチルトφは3°である。図11Dは図11Aおよび11Bに示すようなツイスト型IPS方式液晶ディスプレイのVACを表す。本発明にしたがうディスプレイ1149は、図6Aに示す従来技術ディスプレイ631のVACよりも優れたVACを有する。コントラスト比は、従来技術ディスプレイ631よりも該ディスプレイ1149の広範な方位視野角範囲において増加した。特に、角度β=45°、135°および315°での増加が顕著である。
【0044】
本発明の態様は、IPS方式液晶ディスプレイのOFF状態の光漏洩を防止する優れた手段を提供することができ、IPS方式液晶セルおよび補償フィルムを組合せることによって、IPS方式を用いる高視野角LCDを提供することができ、そして、本発明のディスプレイを含む電子装置を提供することができ、ならびに本発明のディスプレイの調製方法を提供することができる。液晶セル面に対して垂直な面内でチルトした光軸を備えた配向された正の複屈折材料を有する補償フィルムを、ホモジニアスかつツイスト型のIPS方式液晶セルと組合せて用いることができる。
【0045】
本発明の態様は前述したようなディスプレイを提供し、補償フィルムがIPS方式液晶セルと偏光子との間に配置され;正複屈折層とベースフィルムとの間に配向層を含み;正複屈折材料層の光軸内のチルトが当該層の厚みにわたって一様であり;正複屈折材料層の光軸内のチルトが層の厚みにわたって変化し;補償子フィルムがIPS方式液晶セルと偏光子の1つとの間に配置され;電界が印加されてない場合、方位角回転が右回りまたは左回りであり;そして補償フィルムの正複屈折材料の光軸の配向が、光配向、機械ラビング、剪断力の使用、または電界もしくは磁界効果等の手段によって達成されることを含む。
【0046】
本明細書で引用した特許および他の刊行物の全内容は参照することにより本明細書の内容とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1はディスプレイの視野角の定義を表す。
【図2A】図2AはOFF状態のホモジニアス型IPS方式液晶ディスプレイの平面図である。
【図2B】図2BはON状態のホモジニアス型IPS方式液晶ディスプレイの平面図である。液晶の誘電異方性が正である。
【図2C】図2CはON状態のホモジニアス型IPS方式液晶ディスプレイの平面図である。液晶の誘電異方性が負である。
【図3A】図3Aは図2Aに対応する液晶ディスプレイの側面図である。
【図3B】図3Bは図2Bに対応する液晶ディスプレイの側面図である。
【図3C】図3Cは図2Cに対応する液晶ディスプレイの側面図である。
【図3D】図3Dは液晶光軸のチルト角がゼロでない、図3Aに対応するOFF状態を表す。
【図4A】図4AはOFF状態のツイスト型IPS方式液晶ディスプレイの側面図である。液晶の誘電異方性が正である。
【図4B】図4BはON状態のツイスト型IPS方式液晶ディスプレイの側面図である。
【図4C】図4CはON状態のツイスト型IPS方式液晶ディスプレイの側面図である。液晶の誘電異方性が負である。
【図4D】図4Dは液晶光軸のチルト角がゼロでない、図4Aに対応するOFF状態を表す。
【図5A】図5Aはフィルム平面に対する位相リターデーションの屈折率楕円体を表す。A−フィルムを表す。
【図5B】図5Bはフィルム平面に対する位相リターデーションの屈折率楕円体を表す。C−フィルムを表す。
【図5C】図5Cはフィルム平面に対する位相リターデーションの屈折率楕円体を表す。二軸フィルムを表す。遅い軸は面に対して垂直である。
【図5D】図5Dはフィルム平面に対する位相リターデーションの屈折率楕円体を表す。二軸フィルムを表す。遅い軸は一般的な方向である。
【図6A】図6Aはツイスト型IPS方式液晶セルを用いた従来のディスプレイを表す。
【図6B】図6Bは方位視野角に対するコントラスト比のプロットである。
【図7A】図7Aはホモジニアス型IPS方式液晶セルを用いた従来のディスプレイを表す。
【図7B】図7Bはチルト角2°の場合の方位視野角に対するコントラスト比のプロットである。
【図7C】図7Cはチルト角4°の場合の方位視野角に対するコントラスト比のプロットである。
【図8A】図8Aはベースフィルム上に付着された異方性層の構成材料を示す正の複屈折の屈折率楕円体を表す。
【図8B】図8Bは一様にチルトした光軸を有するフィルムを示す。
【図8C】図8Cは厚み方向に光軸方向が変化するフィルムを示す。
【図9A】図9Aは本発明のディスプレイの該略図を表す。
【図9B】図9Bは方位視野角に対するコントラスト比のプロットである。
【図10A】図10Aはベースフィルム上に付着された異方性層の構成材料を示す負の複屈折の屈折率楕円体を表す。
【図10B】図10Bはツイスト構造フィルムの構造を表す。
【図11A】図11Aは本発明のディスプレイの該略図を表す。
【図11B】図11Bは図11Aのディスプレイの断面図を表す。
【図11C】図11Cは別のディスプレイの断面図を表す。
【図11D】図11Dは図11A、BおよびCに示すディスプレイの方位視野角に対するコントラスト比のプロットである。
【符号の説明】
101…液晶ディスプレイ
107…液晶ディスプレイ面
109…見る方向を示すベクトル
201…液晶光軸
203…偏光子の透過軸
205A…面内電界のための電極
205B…面内電界のための電極
207…電源
301…ホモジニアス型IPS方式液晶ディスプレイ
302…偏光子
303…偏光子
304…液晶光軸
309A…底部ガラス板
309B…最上部ガラス板
311…光軸304の方位角方向
320…配向層
402…偏光子
411…ツイスト型IPS方式液晶ディスプレイ
501…位相リターデーションフィルムの面
505…光軸
509…遅い軸
605…ツイスト構造フィルム
631…ツイスト型IPS方式液晶ディスプレイ
701…二軸補償フィルム
709…二軸補償フィルムの遅い軸
715…偏光子707の透過軸
803…光軸の方向
809…光学的異方性層
811…ベースフィルム
905…補償フィルム
1005…層1011の最上部の光軸
1007…層1011の底部の光軸
1013…ツイスト構造フィルム
1107…ツイスト型IPS方式液晶ディスプレイ
1167…ツイスト構造層
1173…液晶光軸

Claims (10)

  1. 面内スイッチング(IPS)方式液晶セル、前記IPS方式液晶セルの各面上に透過軸方向が交差するように配置された一対の偏光子、および補償フィルムを含んでなるディスプレイであって、
    前記液晶セルは、電界が印加されてないときに、前記液晶光軸の方位角方向が、前記一対の偏光子のいずれか一方の透過軸方向に対して平行に一様に配向しているホモジニアス型IPS液晶セルであり、かつ前記液晶は液晶セル面に対して非ゼロチルト角の光軸を有し、
    前記補償フィルムは、ベースフィルム上に配置された光学異方性層を有し、
    下記式で表される前記ベースフィルムの面外位相リターデーションR base は、60nm<R base <100nmであり(ここで、厚みd base はベースフィルムの厚みであり、n xo base 、n yo base 、およびn zo base は、ベースフィルムの3つの主たる屈折率(ただし、n zo base >n xo base ≧n yo base )である)、
    前記光学異方性層は、液晶セル面に垂直な平面内で光軸がチルトした正の複屈折材料を有し、かつ120nm<d ans (n ans −n ans )<150nmを満たし(ここで、d ans は光学異方性層の厚み、n ans およびn ans はそれぞれ異方性層の構成材料の常光屈折率および異常光屈折率である)、
    前記補償フィルムの遅い軸の方位角方向と、電界が印加されてない状態の前記ホモジニアス型IPS方式液晶セルの液晶光軸の方位角方向が平行であり、
    前記光学異方性層の正の複屈折材料の光軸のチルト角が、下記の(i)〜(iii)のいずれかを満足するディスプレイ。
    (i)正の複屈折材料の光軸がフィルム厚をとおして角度θ で一様にチルトしており、0°<θ ≦10°
    (ii)正の複屈折材料の光軸がフィルム厚をとおしてチルト角が減少しており(θ >θ )、10°≦θ ≦20°、かつ0°≦θ ≦10°
    (iii)正の複屈折材料の光軸がフィルム厚をとおしてチルト角が増加しており(θ >θ )、0°≦θ ≦10°、かつ10°≦θ ≦20°
  2. 面内スイッチング(IPS)方式液晶セル、前記IPS方式液晶セルの各面上に透過軸方向が交差するように配置された一対の偏光子、および補償フィルムを含んでなるディスプレイであって、
    前記液晶セルは、電界が印加されてないときに、液晶セル内部の液晶光軸がセル厚方向に対して方位角回転を示すツイスト型IPS方式液晶セルであり、かつ、前記液晶は液晶セル面に対して非ゼロチルト角の光軸を有し、
    前記補償フィルムは、ベースフィルム上に配置された光学異方性層を有し、
    下記式で表される前記ベースフィルムの面外位相リターデーションR base は、60nm<R base <100nmであり(ここで、厚みd base はベースフィルムの厚みであり、n xo base 、n yo base 、およびn zo base は、ベースフィルムの3つの主たる屈折率(ただし、n zo base >n xo base ≧n yo base )である)、
    前記光学異方性層は、液晶セル面に垂直な平面内で光軸がチルトした正の複屈折材料を有し、かつ120nm<d ans (n ans −n ans )<150nmを満たし(ここで、d ans は光学異方性層の厚み、n ans 、n ans はそれぞれ異方性層の構成材料の、常光屈折率および異常光屈折率である)、
    電界が印加されてない状態の前記ツイスト型IPS方式液晶セルの液晶光軸の方位角方向は、該セルの底部および最上部のそれぞれにおいて近接する偏光子の透過軸方向に対して平行であり、
    前記光学異方性層の正の複屈折材料の光軸のチルト角が、下記の(i)〜(iii)のいずれかを満足するディスプレイ。
    (i)正の複屈折材料の光軸がフィルム厚をとおして角度θ で一様にチルトしており、0°<θ <6°
    (ii)正の複屈折材料の光軸がフィルム厚をとおしてチルト角が減少しており(θ >θ )、0°<θ ≦8°、かつ0°≦θ ≦4°
    (iii)正の複屈折材料の光軸がフィルム厚をとおしてチルト角が増加しており(θ >θ )、0°≦θ ≦4°、かつ0°<θ ≦8°
  3. 前記補償フィルムの遅い軸の方位角方向が、補償フィルムと隣接する偏光子の透過軸に対して平行である、請求項1または2記載のディスプレイ。
  4. 前記一対の偏光子のいずれか一方と前記IPS方式液晶セルとの間に、さらにツイスト構造を有する光学的異方性フィルムが配置されており、当該ツイスト構造を有する光学的異方性フィルムが負の複屈折材料を含み、前記負の複屈折材料の光軸が前記IPS方式液晶セル内部の液晶光軸の反対の左右像を有する方位角回転を示す請求項2または3記載のディスプレイ。
  5. 前記負の複屈折材料を含みツイスト構造を有する光学的異方性フィルムが、ベースフィルム上に光学異方性層が配置されたものである、請求項4記載のディスプレイ。
  6. 前記負の複屈折材料を含みツイスト構造を有する光学的異方性フィルムのベースフィルムが光学等方性である、請求項5記載のディスプレイ。
  7. cell =d cell (n lc −n lc )によって与えられるツイスト型IPS方式液晶セルの位相リターデーションR cell (ここで、d cell はツイスト型IPS方式液晶セルの厚み、n lc およびn lc は、それぞれ液晶セル内の液晶の常光線および異常光線における屈折率である)と、
    前記ツイスト構造を有する光学的異方性フィルムの厚みd neg と、前記負の複屈折材料の常光線屈折率n neg と異常光線屈折率n neg の差の積dneg(n neg−n neg)とが、
    0.8Rcell<dneg(n neg−n neg)<1.2Rcellを満たす、請求項4〜6のいずれか1項記載のディスプレイ。
  8. 前記ツイスト構造を有する光学的異方性フィルムの光軸の方位角方向と、前記ツイスト型IPS方式液晶セルの電界が印加されてないときのセルの内部の液晶光軸の方位角方向とが、両者の境界面のところで相互に平行である、請求項4〜7のいずれか1項記載のディスプレイ。
  9. 前記正の複屈折材料を含む補償フィルムベースフィルムが、正の光学的異方性を有し、かつベースフィルム面の垂線に沿う方向に光軸または遅い軸を有する、請求項1〜8のいずれか1項に記載のディスプレイ。
  10. 請求項1〜9のいずれか1項に記載のディスプレイを作製する方法であって、前記補償フィルムの正の複屈折材料の光軸の配向が光配向を用いて達成することを特徴とするディスプレイの作製方法。
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