JP4545770B2

JP4545770B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP4545770B2
Application number: JP2007064617A
Authority: JP
Inventors: 伸田畑; 泰則庭野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2027-03-14
Also published as: KR20080084549A; KR100915487B1; JP2008225156A

Description

この発明は液晶表示装置に関するものであり、特に、液晶表示パネルのリタデーションを制御することで映像表示を行う液晶表示装置に関するものである。

一対の透明電極基板間に液晶材料を挟持し、その透明電極基板間に印加する電圧を変化させることで液晶分子の配向を電界方向に応じて変化させ、それにより映像の表示を行う液晶表示パネル（単に「表示パネル」と称することもある）並びにそれを搭載した表示装置は広く普及している。そのうち例えばＴＮ（Twisted Nematic）モード、ＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence）モードの液晶表示パネルは、透明電極基板間に電圧を印加しない、即ち透明電極基板間の電圧を０Ｖにしたとき（以下「電圧無印加時」）に白色表示となり、印加電圧を大きくするに従い透過率が低下して黒表示となる、いわゆるノーマリホワイト型の表示パネルとして用いることができる。

即ち、ノーマリホワイト型の表示パネルは、電圧無印加時は透過率が高くなることで白色表示をし、徐々に印加電圧を高くするに従い透過率が下がって中間調表示を行い、さらに一定の電圧を超えると透過率が最小に達して黒表示を行う。当該表示パネルを正面から眺めると、電圧無印加の状態から電圧を高くしていくと、徐々に透過率が低下していく現象がはっきりと観察される。

ところが同じ表示パネルを斜め方向から観察すると、特にＥＣＢモードの表示パネルにおいて、中間調で階調が反転するように見える。つまり、液晶の配向方向に沿って斜め方向から観察すると、表示パネルの透過率は、印加電圧の上昇と共に低下するが、電圧上昇の途中で黒表示となり、さらに電圧を高くすると逆に透過率が高くなるという現象が生じる。一方、電圧無印加時の白色表示時の透過率よりも電圧を少し印加した時のほうが透過率が高く見えるという現象も観察される。前者の現象は黒反転（または黒つぶれ）、後者の現象は白反転（または白つぶれ）と呼ばれることもある。

この２つの階調反転は、電圧無印加の白色表示状態から、電圧を少し印加し液晶分子がやや応答した状態までの間に現れるため、その電圧領域（以下「低電圧領域」）を映像の表示に用いないことによって階調反転の発生を抑制することが可能であることが知られている。

特開２００３−１６７２５４号公報

上記のように、白つぶれまたは黒つぶれの現象を起こしているのは透過率の高い階調の領域（即ち低電圧領域）であり、その階調領域を映像表示に用いないように表示パネルを駆動することによって階調反転が無い、良好な視野角特性の映像表示が成される。

しかしこの駆動方式では、透過率の高い明るい階調が映像表示に用いられないことになるので、全体として透過率の低い暗い表示しか得られなくなるという問題がある。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、階調反転が抑制された良好な視野角特性を有すると共に、透過率の高い階調表示が可能な液晶表示パネルを提供することを目的とする。

本発明の第１の局面に係る液晶表示装置は、一対の透明電極基板と、前記透明電極基板間に挟持された液晶材料である液晶層とを有する表示パネルを備え、前記透明電極基板間に駆動電圧を印加して前記液晶層のリタデーションを変化させることにより前記表示パネルに映像を表示させるノーマリホワイト型の液晶表示装置であって、前記透明電極基板間に電圧を印加しない状態における、波長５５０ｎｍの透過光に対する前記液晶層のリタデーションは２８０〜３８０ｎｍであり、映像表示のための前記駆動電圧として、前記液晶層のリタデーションが２７０ｎｍ以下となる領域の電圧のみを用いるものである。

本発明の第２の局面に係る液晶表示装置は、一対の透明電極基板と、前記透明電極基板間に挟持された液晶材料である液晶層と、前記透明電極基板に面して配設され、偏光板および位相補償フィルムのうち少なくとも偏光板を有する偏光手段とを備える表示パネルを有し、前記透明電極基板間に駆動電圧を印加して前記液晶層のリタデーションを変化させることにより前記表示パネルに映像を表示させるノーマリホワイト型の液晶表示装置であって、前記透明電極基板間に電圧を印加しない状態における、前記液晶層および偏光手段の透過率は３１％以上であり、映像表示のための前記駆動電圧として、前記透過率が３０％以下となる領域の電圧のみを用いるものである。

本発明の第３の局面に係る液晶表示装置は、一対の透明電極基板と、前記透明電極基板間に挟持された液晶材料である液晶層とを有する表示パネルを備え、前記透明電極基板間に駆動電圧を印加して前記液晶層のリタデーションを変化させることにより前記表示パネルに映像を表示させるノーマリホワイト型の液晶表示装置であって、前記透明電極基板間に電圧を印加しない状態において、前記液晶層の液晶分子は前記透明電極基板面に対してほぼ平行に配向しており、且つ、そのときの波長５５０ｎｍの透過光に対する当該液晶層のリタデーションは２８０〜３８０ｎｍであり、映像表示のための前記駆動電圧として、前記液晶層の厚さ方向に平均した前記透明電極基板面に対する前記液晶分子の傾き角が１５°以上となる領域の電圧のみを用いるものである。

本発明の第４の局面に係る液晶表示装置は、一対の透明電極基板と、前記透明電極基板間に挟持された液晶材料である液晶層と、前記透明電極基板に面して配設され、偏光板および位相補償フィルムのうち少なくとも偏光板を有する偏光手段とを備える表示パネルを有し、前記透明電極基板間に駆動電圧を印加して前記液晶層のリタデーションを変化させることにより前記表示パネルに映像を表示させるノーマリホワイト型の液晶表示装置であって、前記透明電極基板間に電圧を印加しないときおける、光源をＤ６５としてＣＩＥ１９３１のｘ、ｙ座標表記とした場合の前記液晶層および前記偏光手段の透過光の色度が、ｘ座標が０．３２以上且つｙ座標が０．３５以上であり、映像表示のための前記駆動電圧として、前記色度が、ｘ座標が０．３１以下且つｙ座標が０．３４以下となる領域の電圧のみを用いるものである。

本発明の液晶表示装置によれば、表示パネルに電圧を印加しないときの透過率が高くなるように設定されているため、階調反転が生じやすい領域の電圧（低電圧領域）を映像表示に使用しないように表示パネルを駆動しても、充分に高い透過率を得ることができる。従って、階調反転を抑制しつつ、明るい映像表示が可能になる。

以下の実施の形態では透過型の液晶表示パネルについてのみ述べるが、パネル内に段差を形成するなどすれば、半透過型の液晶表示パネルを得ることもできる。

＜実施の形態１＞
液晶表示パネルにおいて明るい（明度が高い）表示を得るためには、経験的に白色表示時の透過率を３０％近くにする必要がある。ここで本明細書における表示パネルの透過率は、特に断りのない限り、カラーフィルターの透過率、表示パネルの開口率（表示パネル内における遮光部分を除いた領域（光が透過可能な領域）の面積比）および透明電極基板（ガラス基板）など他の構成部材による光の吸収率等を考慮せず、液晶層および偏光板（位相補償フィルムを有している場合はそれも含む）のみの光の利用効率を指すものとする。

図１は、液晶表示パネルにおける液晶層のリタデーション（液晶材料の屈折率異方性と厚みの積）と透過率との関係を示すグラフである。同図の如く、液晶層のリタデーションが高くなるほど、表示パネルの透過率は高くなる。透明基板間に印加する駆動電圧により液晶層のリタデーションを変化させて映像表示を行うノーマリホワイト型の液晶表示パネル（例えばＥＣＢモードのパネル）では、透過率を３０％近くにするためには、そのときの液晶層のリタデーション（波長５５０ｎｍの透過光に対するリタデーション値；以下同じ）を２７０ｎｍ程度にする必要がある。

図１から分かるように、液晶層のリタデーションを高く設定すれば表示パネルの透過率が高くなるので理論的には明るい白色表示が可能になるが、後述するようにリタデーションが過剰になると透過光が黄色味を帯び画質が劣化するため（詳細は実施の形態３にて説明する（図８））、従来の表示パネルでは、電圧無印加時の液晶層のリタデーションは２７０ｎｍ程度に設定されていた。

一方、透明基板間の印加電圧を高くすると、表示パネルの液晶層のリタデーションは小さくなる（図３参照）。従って、階調反転を抑制する目的で、従来の表示パネルを低電圧領域を用いずに駆動すると、白色表示時の液晶層のリタデーションが２７０ｎｍを大きく下回り（つまり透過率が３０％を大きく下回る）、その結果、透過率の低い暗い表示しか得られなくなるという上記の問題が生じる。

そこで本発明では、階調反転が生じる低電圧領域を映像表示に使用しない場合でも充分な透過率が得られるように、表示パネルに従来よりも高いリタデーションを持たせる。図１から分かるように、電圧無印加時のリタデーションが２８０ｎｍを超えると、電圧無印加時の透過率は約３１％以上となる。この条件であれば、階調反転が生じる低電圧領域を表示に用いない場合での白色表示時でも３０％近い透過率を得ることができる。但し、表示パネルのリタデーションを高くするためにはパネルギャップすなわち液晶層の厚さを厚くする必要があり、それを厚くし過ぎると表示パネルの応答速度が遅くなってしまい別の問題が生じる。

本発明者らは、階調反転が生じる低電圧領域を映像表示に使用しない場合でも白色表示時の液晶層のリタデーションを２７０ｎｍ程度（表示パネルの透過率を３０％近く）に保つことができ、且つ、充分な応答速度を得ることができる表示パネルの条件として、その電圧無印加時の液晶層のリタデーションを２８０〜３８０ｎｍとすることを見出した。つまり電圧無印加時のリタデーションが２８０ｎｍよりも低い場合には、低電圧領域を使用しない場合に白色表示として充分な明るさを得ることができず、３８０ｎｍを超える場合には表示パネルの応答速度が遅くなり好ましくない。

つまり本実施の形態においては、電圧無印加時の液晶層のリタデーションが２８０〜３８０ｎｍである表示パネルを用いて、映像表示には液晶層のリタデーションが２７０ｎｍ以下の領域の電圧のみを使用するようにそのパネルを駆動する。言い換えれば、電圧無印加時の透過率が３１％以上の表示パネルを用いて、映像表示には透過率が３０％以下の領域の電圧のみを映像表示に使用するようにそのパネルを駆動する。そうすることにより、階調反転を発生を抑制しつつ、充分に明るい（透過率の高い）映像表示が可能になる。

ここで、本発明者等が試作した表示パネルの一例を示す。図２は、当該液晶表示パネルの構造を示す図である。同図の如く液晶表示パネルは、液晶層４（透明電極基板の図示は省略している）と、それに面して配設される偏光手段としての積層偏光板５ａ，５ｂとにより構成される。ここでは、干渉による表示画像の着色を防止するために広帯域構成を採用した。即ち、積層偏光板５ａは、表示パネルの外側から偏光板１ａ、λ／２（およそ２７０ｎｍ）の位相補償フィルム２ａおよびλ／４（およそ１４０ｎｍ）の位相補償フィルム３ａから成る３層構造を有しており、同様に積層偏光板５ｂも、表示パネルの外側から偏光板１ｂ、λ／２の位相補償フィルム２ｂおよびλ／４の位相補償フィルム３ｂから成る３層構造を有している。また当該表示パネルは、液晶層における液晶分子が透明電極基板面に対してほぼ平行に配向し、また各透明電極基板面での液晶材料の配向方向がほぼ一致している、いわゆる一軸配向型のものとした。

液晶層４は、一対の透明電極基板（不図示）に挟持された液晶材料から成る。２枚の基板のそれぞれは、その表面にポリイミド膜を作成してラビング処理を施している。その２枚の基板を一定の間隙を保ち、それぞれのラビング処理方向が反平行（ラビング処理方向を上下方向としたとき、液晶配向のプレチルト角が一方の基板側で上方向に発現し、他方の基板側で下方向に発現するような、配向処理の方向関係）となるように貼り合わせる。本実施の形態では、２枚の基板間の間隔すなわちパネルギャップ（ｄ）を３．８μｍとし、その間に正の誘電異方性（Δε）が９．４、屈折率異方性（Δｎ）が０．０９５４の液晶材料を注入して液晶層４を構成した。つまり電圧無印加時のこの液晶層のリタデーション（Δｎｄ）は３６３ｎｍであり、従来のもの（２７０ｎｍ程度）よりも高く設定されている。また図１より、この表示パネルの電圧無印加時の透過率は３４％と非常に高い値となる。

なお、通常の液晶テレビや、液晶モニタ等に用いる表示パネルでは、２枚の透明電極基板の一方にはカラーフィルター、他方にはＴＦＴ（Thin Film Transistor）等のアクティブ駆動回路が形成されるが、それらは本発明の作用・効果とは無関係であるため、この例においては省略した。

積層偏光板５ａ，５ｂに含まれる位相補償フィルム２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの各々は、一軸延伸のアートン、ゼオノア等からなる高分子フィルムを用いることができるが、新日本石油株式会社製の視野角改良フィルム「ＮＨフィルム」のような、液晶性高分子から成り、光学軸の方向がフィルム面内方向から立ち上がっており、その立ち上がり角度がフィルムの厚み方向で変化するいわゆるハイブリッド配向となったフィルムも用いてもよい。本実施の形態では、λ／４の位相補償フィルム３ａ，３ｂに上記のＮＨフィルムを用いた。

表１に、試作した液晶表示パネルの光学設計案を示す。なお、表示のための光は積層偏光板５ｂ側から入射し、積層偏光板５ａ側へ表示を行うものとする。

そして図３のグラフは、当該液晶表示パネルにおける透明電極基板間の印加電圧と液晶層のリタデーションとの関係を示している。また図４のグラフは、同液晶表示パネルの印加電圧と透過率の関係を示している。図３および図４から分かるように、印加電圧を大きくすると、液晶層のリタデーションは小さくなり、応じて表示パネルの透過率が低下する。当該表示パネルは、電圧無印加時のリタデーションおよび透過率が予め大きく設定されているので、リタデーションが約２７０ｎｍ、透過率が約２９％となるのは、約１．５Ｖの電圧を印加したときであった。

図５は、当該液晶表示パネルにおける透過率の視野角特性を示すグラフである。同グラフにおける視野角は、液晶材料の配向方向に沿った角度を示している。角度０°において最も透過率の高い階調Ｔ０は、電圧無印加時の白色表示の階調であり、２番目に透過率の高い階調Ｔ１は電圧１．５Ｖ印加時の白色表示の階調である。その他の階調Ｔ２〜Ｔ７は、階調Ｔ０，Ｔ１を含む全体として８階調表示となるのに適当な透過率を設定している。

図５のように、電圧無印加時の白色表示の階調Ｔ０では、観察角度によって透過率が大きく変化するため、−２０°以下の角度領域で階調Ｔ０の透過率曲線がその他の各階調Ｔ１〜Ｔ７の曲線と交差し、階調反転が生じていることが分かる。一方、１．５Ｖ印加時の白色表示の階調Ｔ１は、階調Ｔ０を除く他の階調Ｔ２〜Ｔ７との反転は殆ど生じていないことが分かる。

図５の結果から、この表示パネルにおいて、１．５Ｖ印加時（リタデーション：約２７０ｎｍ、透過率：約２９％）を映像表示の最も高い透過率の階調として規定し、それ未満の低電圧領域を映像表示に使用しないように駆動すれば、階調反転の発生は殆ど生じないことが分かる。言い換えれば、このように高めにリタデーションを設定した表示パネルに対し、リタデーションが２７０ｎｍ以下の領域すなわち透過率が３０％以下の領域のみを使用することによって、階調反転の発生を抑制しつつ、充分に明るい表示が得られる。

＜実施の形態２＞
液晶表示パネルにおいて印加電圧に依存するパラメータとして、液晶分子の傾き角がある。電圧無印加時に透明電極基板面に対してほぼ平行に液晶分子が配向する液晶パネルにおいては、印加電圧を大きくするに従って、透明電極基板に対する液晶分子の傾き角は大きくなる（図６参照）。以下、表示パネルの厚さ方向（液晶層の厚さ方向）に平均した液晶分子の透明電極基板に対する傾き角を「平均傾き角」と称する。

本発明者らは、２８０〜３８０ｎｍのリタデーションを有する実施の形態１の液晶表示パネルにおいては、液晶分子の平均傾き角が１５°未満の低電圧領域で、階調反転が生じやすいということを見出した。つまり、液晶層の平均傾き角が１５°以上となる領域の電圧のみを映像表示に用いるように当該表示パネルを駆動すれば、階調反転の発生を抑えることができる。

また上記したように、液晶層のリタデーションが大きい表示パネルは透過率が高い。電圧無印加時のリタデーションが２８０〜３８０ｎｍである実施の形態１の表示パネルであれば、平均傾き角が１５°程度になる電圧を印加した場合でも２７０ｎｍ程度のリタデーションを確保できる。つまり、平均傾き角が１５°未満となる低電圧領域を映像表示に使用しない場合でも、充分な透過率を得ることができる。

ここで、本発明者が試作した表示パネルの他の一例を示す。当該表示パネルは、実施の形態１の手法と同様の手法で作成されたものであるが、透明電極基板間のパネルギャップを２．３μｍとし、その間に正の誘電異方性（Δε）が７．５、屈折率異方性（Δｎ）が０．１５４６の液晶材料を注入して液晶層を構成したものである。つまりこの表示パネルの液晶層のリタデーションは３５５ｎｍである。

表２に、試作した液晶表示パネルの光学設計案を示す。また図６のグラフに、当該液晶表示パネルにおける液晶層の平均傾き角の電圧依存性を示す。

当該表示パネルにおける液晶層の平均傾き角は、電圧無印加時は３°程度であった。この表示パネルにおいて透過率が約２９％程度になる印加電圧は１．６Ｖであった。図６の如く、１．６Ｖ印加時には平均傾き角は約２０°となる。また印加電圧をさらに上昇させ、４．３Ｖとしたときに透過率は最も低くなった。その間のコントラストの値は約２００であった。そこで１．６Ｖ未満の領域を表示に使用せず、１．６Ｖ〜４．３Ｖの駆動電圧範囲を用いて８階調表示を行った。このときの視野角特性を図７に示す。同図において、階調Ｔ１１は印加電圧１．６Ｖの白色表示、階調Ｔ１８は印加電圧４．３Ｖを黒色表示を示しており、その間の階調Ｔ１２〜階調Ｔ１７は、階調Ｔ１１〜Ｔ１８の全体として８階調表示となるのに適当な透過率を設定している。

図７のように、当該表示パネルにおいては、各階調Ｔ１１〜Ｔ１８の透過率曲線は殆ど交わることはなく、階調反転が殆ど生じない良好な表示を得られた。また白色表示の透過率（階調Ｔ１１）は正面（角度０°）で約２９％に設定されているため、充分に明るい表示が得られる。

＜実施の形態３＞
液晶表示パネルにおける透過光の色度は、その液晶層のリタデーションにも依存する。先に述べたように、リタデーションが過剰である場合は、透過光が白色が黄色味を帯びる傾向にある。なお本明細書において、表示パネルの透過光の色度は、カラーフィルターやガラス基板など他の構成部材の透過スペクトルを考慮せず、液晶層および偏光板（位相補償フィルムを有している場合はそれも含む）のみを透過した光の色度を指すものとする。

電圧無印印加時に２８０〜３８０ｎｍのリタデーションを有する実施の形態１の液晶表示パネルにおいては、電圧無印加時にはリタデーションが過剰になり、そのときの透過光の色度（光源をＤ６５としてＣＩＥ１９３１のｘ、ｙ座標表記としたときの色度；以下同じ）は、ｘ＝０．３２，ｙ＝０．３５を超える値となる。つまり、電圧無印時の白色表示では、一般的な基準白色（例えばＨＤＴＶ（High Definition TeleVision）ではｘ＝０．３１２７，ｙ＝０．３２９０）よりも黄色味を帯びてしまう。なお、表示パネルの透過光の色度は、当該表示パネルに電圧を加えると小さくなる（図８参照）。

本発明者らは、実施の形態１の液晶表示パネルにおいて、透過光の色度がｘ＝０．３１、ｙ＝０．３４を超える低電圧領域で、階調反転が生じやすいということを見出した。つまり、透過光の色度がｘ座標が０．３１以下、且つｙ座標が０．３４以下となる電圧領域のみを映像表示に用いるように当該表示パネルを駆動すれば、階調反転の発生を抑えることができることが分かった。

ここで、本発明者らが試作した表示パネルの他の一例を示す。当該表示パネルは、実施の形態１の手法と同様の手法で作成されたものであるが、透明電極基板間のパネルギャップを５．０μｍとし、その間に正の誘電異方性（Δε）が９．０、屈折率異方性（Δｎ）が０．０６８の液晶材料を注入して液晶層を構成したものである。つまりこの表示パネルの液晶層のリタデーションは３４０ｎｍである。

表３に、試作した液晶表示パネルの光学設計案を示す。また図８のグラフに、当該液晶表示パネルにおける透過光の色度の電圧依存性を示す。

この表示パネルの電圧無印加時の白色色度は、ｘ＝０．３３３３、ｙ＝０．３７１０であった。また透過率が約３０％程度になる印加電圧は１．４Ｖであった。図８の如く、１．４Ｖ印加時には白色色度はｘ＝０．２９９１、ｙ＝０．３３２４となった。またさらに印加電圧を上昇させ、３．６Ｖとしたとき透過率は最も低くなった。その間のコントラストの値は約１５０であった。そこで１．４Ｖ未満の領域を表示に使用せず、１．４Ｖ〜３．６Ｖの駆動電圧範囲を用いて８階調表示を行った。このときの視野角特性を図９に示す。同図において、階調Ｔ２１は印加電圧１．４Ｖの白色表示、階調Ｔ２８は印加電圧３．６Ｖを黒色表示、その間の階調Ｔ２２〜階調Ｔ２７は、階調Ｔ２１〜Ｔ２８の全体として８階調表示となるのに適当な透過率を設定している。

図９のように、当該表示パネルにおいては、各階調Ｔ２１〜Ｔ２８の透過率曲線は殆ど交わることはなく、階調反転が殆ど生じない良好な表示を得られた。また白色表示の透過率（階調Ｔ２１）は正面（角度０°）で約３０％に設定されているため、充分に明るい表示が得られる。また、色度がｘ＝０．３１、ｙ＝０．３４を超える領域を使用しないことによって、白色表示が黄色味がかることによる画質の劣化も抑制される。

液晶層のリタデーションと透過率の関係を示す図である。液晶表示パネルの構造を示す図である。実施の形態１に係る液晶表示パネルのリタデーションの電圧依存性を示すグラフである。実施の形態１に係る液晶表示パネルの透過率の電圧依存性を示すグラフである。実施の形態１に係る液晶表示パネルにおける透過率の視野角特性を示すグラフである。実施の形態２に係る液晶表示パネルにおける液晶材料の平均角度の電圧依存性を示すグラフである。実施の形態２に係る液晶表示パネルにおける透過率の視野角特性を示すグラフである。実施の形態３に係る液晶表示パネルにおける白色色度の電圧依存性を示すグラフである。実施の形態３に係る液晶表示パネルの液晶配向方向の視野角特性を示すグラフである。

符号の説明

１ａ，１ｂ偏光板１ｂ、２ａ，２ｂ λ／２の位相補償フィルム、３ａ，３ｂ λ／４の位相補償フィルム、４液晶層，５ａ，５ｂ積層偏光板。

Claims

一対の透明電極基板と、
前記透明電極基板間に挟持された液晶材料である液晶層と、
前記透明電極基板に面して配設され、偏光板および位相補償フィルムのうち少なくとも偏光板を有する偏光手段とを有する表示パネルを備え、
前記透明電極基板間に駆動電圧を印加して前記液晶層のリタデーションを変化させることにより前記表示パネルに映像を表示させるノーマリホワイト型の液晶表示装置であって、
前記透明電極基板間に電圧を印加しない状態における、波長５５０ｎｍの透過光に対する前記液晶層のリタデーションは２８０〜３８０ｎｍ、且つ前記液晶層および偏光手段の透過率は３１％以上であり、
映像表示のための前記駆動電圧として、前記液晶層のリタデーションが２７０ｎｍ以下、且つ前記透過率が３０％以下となる領域の電圧のみを用いる
ことを特徴とする液晶表示装置。