JP4668549B2

JP4668549B2 - 位相差量可変な光学補償素子およびそれを用いた液晶ディスプレイ

Info

Publication number: JP4668549B2
Application number: JP2004124909A
Authority: JP
Inventors: 徳久守谷
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2024-04-21
Also published as: JP2005309020A; US7518674B2; US20060066785A1

Description

本発明は、電圧印加により位相差量を可変とすることが可能な光学補償素子、およびそれを用いた液晶ディスプレイに関するものである。

液晶ディスプレイ（以下ＬＣＤと称する。）は、薄型、軽量、低消費電力、およびフリッカーレスである特徴を有することから、種々のディスプレイに用いられており、大型で据置型のディスプレイのみなならず、可搬型の端末機器のディスプレイとしても、広く用いられている。

可搬型の端末機器の場合、ディスプレイとしては、使用する人にのみ表示が見え、周囲の人には表示が見えないようにする必要性が時としてあり、または、周囲の人に積極的に表示を見せたい必要性のあるときもある。これらのことは、大型で据置型のディスプレイにおいても言えることである。

近年では、デジタルスチルカメラの普及、通信インフラの改善等により、可搬型の端末機器のディスプレイに写真や動画を表示することも多くなってきている。代表的には携帯電話が挙げられる。このような場合、同じ表示を周囲に居る複数の観察者に見せたいときには、ディスプレイの視野角が十分に広いことが望まれるので、例えば、ＬＣＤであれば、位相差フィルムが液晶セルに貼りつけられて、視野角の拡大を図っている。また、電子メールの送受信等を行なうときには、表示が送信者や受信者には見えるが、送信者や受信者以外の人には見えないことが望ましいので、視野角を狭くする必要がある。

従って、１台のディスプレイが広い視野角と狭い視野角とを、簡単な操作により切り替え可能に有していることが好ましいが、広い視野角を実現するための光学補償フィルム（位相差フィルム）がディスプレイに貼り付けられて固定されているときは、狭い視野角を実現しようとすると、光学補償フィルムを剥がす必要があり、簡単な操作によって切り替えることはできなかった。

本発明においては、光学補償フィルムをディスプレイに貼り付けることによっては広い視野角が得られるのみで、狭い視野角を得ようとすると、光学補償フィルムを剥がす必要があった点を解消し、簡単な操作によって、広い視野角と狭い視野角とが切り替え可能な光学補償素子およびそれを用いた液晶ディスプレイを提供することを課題とするものである。

上記の課題は、光学補償フィルムをディスプレイに貼り付けて使用するのに替えて、２枚の透明基材を有し、各々の対向面に配向層、電極等が設けられており、２枚の透明基材間に液晶層を挟んで、印加電圧により液晶層の配向状態を制御する構成としたことにより、広い視野角と狭い視野角との切り替えが可能な電圧可変型の光学補償層（可変位相差層）を用いることにより解決することが可能であることが判明し、本発明に到達することができた。

課題を解決する第１の発明は、２枚の基材が互いに対向して配置され、前記各々の基材の対向面に電極が積層されており、前記２枚の基材間に、位相差量が電気的に制御可能な可変位相差層が積層されてなり、前記可変位相差層は、正の誘電異方性を有するネマチック液晶分子を含有し、対向する前記電極の間に電圧を印加しない状態ではＡプレートであり、電圧を印加した状態ではＣプレートとなることを特徴とする光学補償素子に関するものである。

第２の発明は、第１の発明の光学補償素子が液晶表示装置に配置されたことを特徴とする液晶ディスプレイに関するものである。

第１の発明によれば、電気的な制御により、位相差量が変化するよう構成されているので、液晶表示装置と組み合わせて使用すると、広い視野角と狭い視野角との切り替えを簡単な操作により実現できる視野角可変な光学補償素子を提供することができる。

第２の発明によれば、第１の発明の効果に加えて、基材の垂直方向に電圧を印加することにより、ネマチック液晶が基材の厚さ方向に配向するため、位相差層量の制御を容易に行なえる光学補償素子を提供することができる。

第３の発明によれば、第１または第２の発明の光学補償素子の効果が発揮された液晶ディスプレイを提供することができる。

ＬＣＤ自体の視野角はもともと狭く、その原因は、視野角の増大により黒表示をすべき画素から光漏れが生じて、色調変化、もしくは階調反転等が生じるためであり、視野角を拡大するには、黒表示をすべき画素からの光漏れを、あらゆる視野角方向で減少させることが有効である。

ＬＣＤの視野角を拡大する手段として、光学異方性を有する透明フィルムからなる光学補償フィルムが広く利用されている。この光学補償フィルムは、例えば、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタラート、もしくはポリエチレン等のポリオレフィン等の透明樹脂フィルムを一軸延伸もしくは二軸延伸することにより形成することができる。また近年では、液晶相を維持したままに固定化が可能な液晶層を利用した用いて光学補償フィルムを形成することも報告されている。これら光学補償フィルムは、一般に偏光板と貼り合わせた後、液晶セルに貼り付けられて使用されている。

ＬＣＤには、捻れネマチック（以下ＴＮと称する。）モード、垂直配向（以下ＶＡと称する。）モード、水平配向（以下ＩＰＳと称する。）モード、光学補償ベンド（以下ＯＣＢと称する。）モード等の各モードのものがある。これらのうち、ＴＮモードＬＣＤ用の光学補償フィルムとしては、ディスコティック液晶やネマチック液晶をハイブリッド配向させて固定化したものが用いられており、ＶＡモードＬＣＤ用の光学補償フィルムとしては、正のＡプレートと負のＣプレートを組み合わせたものが用いられており、ＩＰＳモードＬＣＤ用の光学補償フィルムとしては、正のＡプレートと正のＣプレートを組み合わせたものが用いられており、ＯＣＢモードＬＣＤ用の光学補償フィルムとしては、二軸延伸処理を施した透明樹脂フィルムが用いられている。

図１は従来のＶＡモードＬＣＤにおける光学補償フィルムの配置を示す図であり、図２および図３は、本発明の光学補償素子を適用したＶＡモードＬＣＤを示す図である。また、図４は従来のＩＰＳモードＬＣＤ用における光学補償フィルムの配置を示す図であり、図５および図６は、本発明の光学補償素子を適用したＩＰＳモードＬＣＤを示す図である。いずれの図においても、判りやすくするために各層を離して描いてあるが、好ましくは互いに積層状態にある。

図１に示すように、従来のＶＡモードＬＣＤ１は、垂直配向液晶セル２Ａが、互いに偏光方向（図中矢印で示す。）が直交する２枚の偏光板３Ａ、３Ｂに挟まれており、図示の例では、垂直配向液晶セル２Ａと一方の偏光板３Ａの間に、負のＣプレートである光学補償層４Ａおよび正のＡプレートである光学補償層４Ｂが垂直配向液晶セル２Ａ側より順に積層されて、広い視野角が得られるようにしている。

上記の従来のＶＡモードＬＣＤ１における、負のＣプレート（４Ａ）、もしくは正のＡプレート（４Ｂ）のうち、少なくとも一方を、電圧変化により正のＣプレートに変化する性質を持たせれば、狭視野角表示が可能になる性質が備わる。

負のＣプレート（４Ａ）の場合、棒状分子からなるネマチック液晶をらせん配向させることにより、電気的に制御することで正のＣプレートになり得る状態となる。具体的には、正の誘電異方性を有するネマチック液晶にカイラル剤を配合した液晶材料を、水平配向処理を施した、透明電極を有する透明フィルムで挟み込むことによりこの状態を実現することができる。

また、正のＡプレート（４Ｂ）の場合、ネマチック液晶をホモジニアス配向させることにより、電気的に制御することで正のＣプレートになり得る状態となる。具体的には、液晶材料を挟む２枚の透明電極を有する透明フィルムの水平配向処理方向を一致させることによりこの状態を実現することができる。

上記の負のＣプレート（４Ａ）が正のＣプレートになり得る状態となったもの、もしくは上記の正のＡプレート（４Ｂ）が正のＣプレートになり得る状態となったものは、いずれも液晶材料に電圧を印可すると液晶分子が基材に対して立ちあがった配向状態となる結果、正のＣプレートとして機能させることができる。また、電圧を印可しない状態では、元の負のＣプレート（４Ａ）もしくは正のＡプレート（４Ｂ）の状態に戻る。また、電圧を印加したときには狭い視野角を与え、電圧を印加しないときには広い視野角を与える。

従って、図２に示すように、従来のＶＡモードＬＣＤにおける正のＡプレート（４Ｂ）を、正のＣプレートになり得る光学補償素子４Ｂ’に変更したＶＡモードＬＣＤは、光学補償層４Ｂ’に電圧を印可しない状態では、液晶分子が水平配向しているので、広い視野角を与え、また、図３に示すように光学補償素子４Ｂ’に電圧を印可すると、水平配向していた液晶分子が基材の透明フィルムに対して垂直となるので、正のＡプレートから正のＣプレートに、機能を変換させることができる。

ここで、図２および図３を引用して説明した例において、光学補償素子４Ｂ’は、垂直配向液晶セル２Ａ、光学補償層４Ａ、および光学補償素子４Ｂ’の順に積層されたものとした。しかし、この順に限定されるものではなく、垂直配向液晶セル２Ａと光学補償層４Ａとの間に光学補償素子４Ｂ’を挟み込まない構造であればよい。また、負のＣプレート（４Ａ）が正のＣプレートになり得る状態となった光学補償素子４Ａ’を用いる場合にも、光学補償素子４Ａ’は、垂直配向液晶セル２Ａと光学補償層４Ａ’との間に、光学補償層４Ｂを挟みこまない限り、いかなる順に積層したものであってもよい。

図４に示すように、従来のＩＰＳモードＬＣＤ１は、水平配向液晶セル２Ｂが、互いに偏光方向（図中の矢印は偏光板の吸収軸を示す。）が直交する２枚の偏光板３Ａ、３Ｂに挟まれている。図示の例では、水平配向液晶セル２Ｂと一方の偏光板３Ａの間に、正のＣプレートである光学補償層４Ｃおよび正のＡプレートである光学補償層４Ｂが水平配向液晶セル２Ｂ側より順に積層されて、広い視野角が得られるようにしている。

上記の従来のＩＰＳモードＬＣＤ１における、負のＣプレート（４Ｃ）、もしくは正のＡプレート（４Ｂ）のうち、電圧変化により正のＣプレートに変化する性質を持たせれば、狭視野角表示が可能になる性質が備わる。

上記の正のＡプレート（４Ｂ）が正のＣプレートになり得る状態となったものは、液晶材料に電圧を印可すると液晶分子が基材に対して立ちあがった配向状態となる結果、正のＣプレートとして機能させることができる。電圧を印可しない状態では、元の正のＡプレート（４Ｂ）の状態に戻るため、電圧を印加したときには狭い視野角を与え、電圧を印加しないときには広い視野角を与える。

従って、図５に示すように、従来のＩＰＳモードＬＣＤにおける正のＡプレート（４Ｂ）を、正のＣプレートになり得る光学補償素子（４Ｂ’）に変更したＩＰＳモードＬＣＤ１’は、光学補償素子４Ｂ’に電圧を印可しない状態では、液晶分子が水平配向しているので、広い視野角を与える。また、図６に示すように光学補償素子４Ｂ’に電圧を印可すると、水平配向していた液晶分子が基材に対して垂直となるので、正のＡプレートから正のＣプレートに、機能を変換させることができる。

ここで、図５および図６を引用して説明した例において、光学補償素子４Ｂ’は、水平配向液晶セル２Ｂ、光学補償層４Ｃ、および光学補償素子４Ｂ’の順に積層されたものとした。しかし、この順に限定されるものではなく、水平配向液晶セル２Ｂと光学補償層４Ｃとの間に光学補償素子４Ｂ’を挟み込まない限り、いかなる順に積層したものであってもよい。

本発明における光学補償素子は、配向性を有する、透明電極を有する透明フィルムで所定の液晶材料が挟まれた積層構造を有するが、透明フィルムの代わりにガラス板、石英板等の透明板を用いて構成することもできる。透明フィルムとしては、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、もしくはトリアセチルセルロース等、または、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリプロプレン、ポリイミド、ポリアミドイミド、もしくはポリエーテルケトン等の樹脂で構成したフィルムを用いることができる。

以上の説明においては、透過型のＬＣＤを念頭におき、透過型のＬＣＤに適用可能な、電圧印可により視野角が切り替え可能な光学補償素子について記述してある。しかし本発明は透過型ＬＣＤに限定されるものではなく、複屈折層を用いて光学補償を行っているあらゆるＬＣＤ、たとえば反射型ＬＣＤ、もしくは半透過半反射型ＬＣＤなどについても、光学補償素子における液晶分子の配向、液晶層の厚さ、もしくは印加電圧等を調整することにより適用が可能である。
同様に、本発明の光学補償素子は、ＴＮモードＬＣＤとＯＣＢモードＬＣＤに適用してもよい。

光学補償素子の作成
洗浄処理を施したガラス基板（コーニング社製、品番；１７３７）上に、透明電極としてＩＴＯ薄膜を形成し、ＩＴＯ薄膜上にフレキソ印刷法により、ポリイミド樹脂系配向剤（ＪＳＲ（株）製、商品名；「オプトマーＡＬ１２５４」）を適用し、加熱乾燥させた後、ラビング処理を施して配向膜とした。このようにして得られた、透明電極および配向膜を形成したガラス基板を２枚用い、各々の配向膜側が向き合うに配置し、間にスペーサー（直径２μｍの球状粒子、積水化学工業（株）製、商品名；「ミクロパール」）を介して周囲を貼り合わせ、内部の空隙に真空注入法により、正の誘電異方性を有する液晶材料を充填した後に封止して、電圧印可により視野角が切り替え可能な光学補償素子を得た。得られた光学補償素子は、電圧を印可しない状態では、Ａプレートであり、電圧を印可した状態ではＣプレートとなる、電圧により切り替え可能なものである。なお、印加電圧としては、周波数；６０Ｈｚ、６Ｖの矩形波を用いた。

ＶＡモードＬＣＤの作成
スペーサーとして直径４μｍのビーズを用い、配向膜としてはラビング処理を施さない垂直配向膜を形成し、液晶材料としては負の誘電異方性を有するものを用いた以外は、上記の光学補償素子の作成と同様にして、ＶＡモードＬＣＤを得た。

広視野角・狭視野角の切り替え可能なＶＡモードＬＣＤの作成
上記で得られたＶＡモードＬＣＤ上に、負のＣプレートおよび上記で得られた光学補償素子を順に積層し、ＶＡモードＬＣＤの下および光学補償素子の上に、偏光板を１枚ずつ、互いの偏光方向が直交するようにして積層した。

ＩＰＳモードＬＣＤの作成
スペーサーとして３．５μｍのものを用い、配向膜としてはラビング処理を施した水平配向膜を形成し、液晶材料としては正の誘電異方性を有するものを用いた以外は、実施例１における光学補償素子の作成と同様にして、ＩＰＳモードＬＣＤを得た。

広視野角・狭視野角の切り替え可能なＩＰＳモードＬＣＤの作成
上記で得られたＩＰＳモードＬＣＤ上に、正のＣプレートおよび実施例１で得られたのと同じ光学補償素子を順に積層し、ＩＰＳモードＬＣＤの下および光学補償素子の上に、偏光板を１枚ずつ、互いの偏光方向が直交するようにして積層した。

上記の各実施例で得られた、いずれも広視野角・狭視野角の切り替え可能なＶＡモードＬＣＤおよびＩＰＳモードＬＣＤに黒表示をさせ、光学補償素子に電圧を印加しないＯＦＦの状態、および電圧を印加したＯＮの状態における光漏れについて、液晶視野角・色度特性測定装置（仏ＥＬＤＩＭ社製、品名；「ＥＺＣｏｎｔｒａｓｔ」）を用いて測定した結果を、図７〜図１０に示す。偏光板の吸収軸は０°と９０°にある。図７はＶＡモードＬＣＤ上の光学補償素子の電源ＯＦＦの状態、図８はＶＡモードＬＣＤ上の光学補償素子の電源ＯＮの状態、図９はＩＰＳモードＬＣＤ上の光学補償素子の電源ＯＦＦの状態、および図１０はＩＰＳモードＬＣＤ上の光学補償素子の電源ＯＮの状態にそれぞれ対応する。最も外側の周囲に記入された数字は方位角を、また、同心円の内側から外側に向かって記入された数字は、数字の向かって左側の円が示す視野角（観測方向と垂線のなす角度である。）を示す。各図には、図の右側に示す線（単位；ｃｄ／ｍ²）で記入された等輝度線図が描かれ、図７および図９では、光漏れが無いので、全域にわたり、輝度はほぼ０である。また、図８および図１０では、４５°、１３５°、２２５°、および３１５度の各方向に光漏れが生じた様子が視野角６０°〜７０°付近で最高輝度となる等輝度線図が描かれている。

ＶＡモードＬＣＤおよびＩＰＳモードＬＣＤのいずれにおいても、光学補償素子の電源ＯＦＦの状態では、光漏れがほとんど無く（図７および９）、全方位角および全視野角にわたって効果的に光漏れが抑えられている。また、ＶＡモードＬＣＤおよびＩＰＳモードＬＣＤのいずれにおいても、電源ＯＮの状態では、全方位角にわたって、視野角が０°〜＋約２０°、もしくは０°〜−約２０°の範囲では、光漏れがほとんど無いが（図８および１０）、偏光板の吸収軸間の方向（図８中および図１０中の４５°、１３５°、２２５°、および３１５度の各方向）では、視野角が増大するに伴ない、輝度が高くなり、即ち、光漏れが増大する（各等輝度線図の中央部に近づくほど輝度が向上する。）。しかし、黒表示時の光漏れは、階調反転もしくは色調変化等を起こすため、視野角の増大に伴ない、むしろ画面の表示の認識を困難化するため、実質的に視野角を広げることにはならない。

従来のＶＡモードＬＣＤにおける光学補償層の配置を示す図である。本発明の光学補償素子をＶＡモードＬＣＤに適用したときの広い視野角の状態を示す図である。本発明の光学補償素子をＶＡモードＬＣＤに適用したときの狭い広い視野角の状態を示す図である。従来のＩＰＳモードＬＣＤにおける光学補償層の配置を示す図である。本発明の光学補償素子をＩＰＳモードＬＣＤに適用したときの広い視野角の状態を示す図である。本発明の光学補償素子をＩＰＳモードＬＣＤに適用したときの狭い広い視野角の状態を示す図である。ＶＡモードＬＣＤに適用した光学補償層に電位を印加しないときの輝度分布を示す図である。ＶＡモードＬＣＤに適用した光学補償層に電位を印加したときの輝度分布を示す図である。ＩＰＳモードＬＣＤに適用した光学補償層に電位を印加しないときの輝度分布を示す図である。ＩＰＳモードＬＣＤに適用した光学補償層に電位を印加したときの輝度分布を示す図である。

符号の説明

１……ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）
２……液晶セル（２Ａ；垂直配向液晶セル、２Ｂ；水平配向液晶セル）
３……偏光板
４……光学補償層（４Ｂ’；電圧印可により視野角が切り替え可能な光学補償素子）

Claims

２枚の基材が互いに対向して配置され、前記各々の基材の対向面に電極が積層されており、前記２枚の基材間に、位相差量が電気的に制御可能な可変位相差層が積層されてなり、前記可変位相差層は、正の誘電異方性を有するネマチック液晶分子を含有し、対向する前記電極の間に電圧を印加しない状態ではＡプレートであり、電圧を印加した状態ではＣプレートとなることを特徴とする光学補償素子。
請求項１記載の光学補償素子が液晶表示装置に配置されたことを特徴とする液晶ディスプレイ。