JP4682376B2 - 液晶表示装置 - Google Patents
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Description
本発明は、一対の基板間に液晶層を有する液晶表示装置に関する。
液晶ディスプレイは、これまで表示装置の主流であったＣＲＴ（Cathode Ray Tube、一般にブラウン管と称される）にくらべて薄型軽量にできるという強みに加え、画質向上技術の進展に伴い、その用途，市場が拡大されてきた。
近年、デスクトップ型パーソナルコンピューター用のモニター、あるいは印刷やデザイン向け用途のモニター，液晶テレビとしての用途拡大に伴って、良好な色再現性，高いコントラスト比に対する要求が強まっている。
液晶表示装置における正面コントラスト比は、黒表示における輝度がゼロでなく有限の値（以下、黒輝度と称する）を持つことから、液晶パネルの有効透過率で決まる白表示における輝度（以下、白輝度と称する）を黒輝度で除した値で定義される。
なお、液晶表示装置は、輝度が視野角に依存するため、正面コントラスト比と視野角コントラスト比で区別されることが多い。前者は、パネル正面への輝度値で定義される値であり、具体的には、２度視野，１０度視野で定義される輝度、すなわち輝度計で測定する際の輝度で求められる。
後者の視野角特性は、光源強度の拡散プロファイル，偏光板，位相差フィルム等による視野角補償の度合い、液晶分子の配向制御等で決定される特性である。ただし、正面コントラスト比と視野角コントラスト比は、完全に独立した特性ではなく、正面コントラスト比が高くなれば、視野角コントラスト比も高くなるという正の相関があるので、正面コントラスト比改善は液晶表示装置の画質向上に非常に有効である。
なお、白表示における有効透過率とは、開口率，液晶のリタデーション等の光学定数、ノーマリクローズ型であるならば、電圧が有効に印加されて表示される領域の割合等で影響される値である。
正面コントラスト比を向上するには、黒輝度の低減，白輝度の増大が有効であることは明らかであり、このうち、黒輝度について、液晶パネル内に存在する部分偏光解消部材によって、増大することが報告されている（非特許文献１，非特許文献２参照）。
M. Yoneya et al., J. Appl. Phys., 98(2005), p.016106.
Y. Utsumi et al., EuroDisplay’05, P-27.
液晶テレビとして使用される液晶表示装置は、一般に、偏光を利用している。すなわち、液晶パネルの背面に配置された光源からの入射光が偏光に制御され、その入射偏光は、液晶層の配向状態によって変化し、所望の強度の光を出射することによって表示される。液晶の配向状態は、基板に形成された電極によって電界が印加され、その強度で制御される。電界が無印加の状態において、光を遮断し、電界印加によって光を透過させる表示方法をノーマリクローズモード、あるいはノーマリブラックモードと呼び、一般に液晶テレビはこのモードが適用される。テレビにおいて、強く求められる画質が高コントラスト比であり、そのためには、光を遮断して表示する黒の輝度をいかに低減するかが重要となる。これを実現するためには、電界無印加の状態の液晶配向状態で光を遮断する方が、電界印加により配向が変化した状態で光を遮断するよりも、より効果的に光を遮断することができるからである。
ノーマリクローズモードでは、電界無印加状態で黒を表示するので、入射する偏光の偏光度、すなわち、光源と液晶層の間に配置される偏光板の偏光度が非常に高いことが重要である。この偏光が、初期配向状態の液晶層を通過する際に完全に保持されれば、液晶層の上側（観察者側）に、偏光軸を直交に配置した偏光板によって、偏光は遮断される。これが、黒表示における輝度となる。通常用いられている偏光板は、ポリビニルアルコールをヨウ素や二色性色素で染色，延伸して得られる偏光板であり、その偏光度は十分に高い。たとえば、その偏光板自身のコントラスト比（一対の偏光板を用いて、偏光軸を平行に２枚配置した場合の明るさを、偏光軸を直交に２枚配置した場合の明るさで割ることで得られる値）は、１万以上であることが多い。
しかしながら、液晶表示装置として、我々が観察するコントラスト比はその１／１０程度にすぎない。これは、一対の偏光板の間、すなわち液晶パネル内に、入射した偏光を望ましくない偏光状態、もしくは部分的に偏光を解消した状態の光に変えてしまう部材が存在するからである。たとえば、カラーフィルター層内の顔料微粒子による散乱，液晶の配向乱れ等に起因する光漏れである。また、非特許文献１では、液晶層の散乱もコントラスト低下要因であることが述べられている。これらのうち、カラーフィルター，液晶配向乱れについてはよく知られているし、それらの課題を解決する手段も種々報告されている。しかしながら、液晶層の散乱については、バルクの液晶層の散乱についてはよく知られている（チャンドラセカール，リキッド クリスタルズ セカンドエディション、ケンブリッジユニヴァーシティプレス、１９９２、第３章第９節）が、実際の液晶ディスプレイに於ける影響、すなわち直交した偏光板の間に配置された液晶層で生じる散乱が、光漏れとどのような相関関係にあり、黒表示の輝度上昇に寄与しているかについての定量的な評価の報告はない。
よって本願発明は、液晶層の散乱による黒表示の光漏れを低減でき、コントラスト比が高い優れた画質性能を有する液晶表示装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、一対の基板にそれぞれ配置された一対の偏光板と、一対の基板に挟持された液晶層と、一対の基板の少なくとも一方に形成され、液晶層に電界を印加するための電極群と、を有する液晶パネルと、一対の基板の外側に配置する光源ユニットと、を有し、一対の基板に挟持された液晶は、その常光屈折率が１.４６以上１.４９以下であり、異常光屈折率が１.５４以上１.５９以下であり、平均光弾性定数が８以上２５以下であって、ネマティック相を示す液晶材料である構成とする。
本発明においては、黒表示の光漏れを低減することができ、コントラスト比が高い優れた画質性能を有する液晶表示装置を提供できる。
本願発明の特徴は、一対の基板にそれぞれ配置された一対の偏光板と、一対の基板に挟持された液晶層と、一対の基板の少なくとも一方に形成され、液晶層に電界を印加するための電極群と、を有する液晶パネルと、一対の基板の外側に配置する光源ユニットと、を有し、液晶層は、その常光屈折率が１.４６以上１.４９以下であり、異常光屈折率が１.５４以上１.５９以下であり、平均光弾性定数が８以上２５以下であって、ネマティック相を示す液晶材料を有することである。
以下、図面を参照して、本発明による液晶表示装置の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
液晶材料Ａ〜Ｃの物性を表１に示す。表１は、異常光屈折率ｎe，常光屈折率ｎo，それらの差である屈折率異方性Δｎ，平均弾性定数Ｋ＝（Ｋ1＋Ｋ22＋Ｋ33）／３，液晶層の厚みｄと散乱指標Ｓkを示している。発明者らは、液晶層の微分散乱断面積の大きさを表す式（１）から、液晶層の光漏れ（直交偏光板間に配置したときに観察される透過率を意味する）強度を表す指標として、式（２）の散乱指標Ｓkを見出した。この指標は、液晶層の実際の散乱強度と光漏れ、それぞれに対して正比例関係にある。
ここで、Δｎは液晶材料の屈折率異方性、ｎeは異常光屈折率、ｎoは常光屈折率、ｄは液晶層の厚み、ＫはスプレイＫ11，ツイストＫ22，ベンドＫ33の弾性定数の平均値を表す
図２は、散乱指標Ｓlcと光漏れ、図３は散乱指標Ｓlcと散乱強度との相関関係を示している。なお、本実施例に用いた液晶セルは、０.７mm厚さの無アルカリガラスを用いて、ポリイミド配向膜を塗布し、ラビング後、所定のセルギャップ（液晶層厚み）を保持するためのスペーサビーズを分散したシール剤により作成したユニットセルである（図４に示す）。散乱光は半導体レーザ（６５１.５ｎｍ）を光源として、コリメートレンズ，コンデンサーレンズを介して、ユニットセルに入射角を５度から２５度までかえて照射した際に、ユニットセルの正面（鉛直方向）に出射する光を散乱光として輝度計により測定した。この測定例を図５に示す。入射角が鉛直方向に近いほど、正面への出射光（散乱光）強度が高い。入射角５度から２５度の散乱光強度を積分した値が図３に示す散乱強度である。
本願発明は、液晶層は、鉛直方向から入射される光の偏光度に対して、鉛直方向から３０度から７０度に傾斜して入射される光の偏光度が高いとする。より好ましくは、３０度から４５度に傾斜して入射される光の偏光度が高いとする。
一方、液晶表示装置において、液晶の熱揺らぎに起因する光散乱が偏光を解消し、生じる光漏れは、光源として拡散光源を用いているためである。すなわち、液晶表示装置は、広い視野角特性が要求されるため、液晶パネルに入射される光は、ある程度の拡散した光であることが必要である。蛍光管や、発光ダイオード等の光源から発した光は、直下型である場合には、拡散シートや集光シートを通して、拡散された光として液晶に入射される。サイドライト型では、導光板を用いる必要があるが、この場合でも拡散された光が液晶パネルに入射される。例えば、図６に示すように液晶層に入射する光は角度分布を有する。液晶層に斜め方向から入射する偏光は、液晶層の熱揺らぎによる光散乱が生じ、正面方向への出射光となる。この鉛直方向への出射光は、液晶の熱揺らぎによって散乱された光であり、偏光が解消された光である。そのため、液晶ディスプレイにおける黒表示の光漏れとなる。
そこで、液晶層の光漏れを測定する際には、実施例２で用いたバックライトユニットを使った。直交偏光板を配置し、その間に回転ホルダーに設置したユニットセルを配置して、透過光が最小となる角度に合わせる。そのときの透過光強度をバックライトユニットの輝度で除した値が透過率で、図２に示す値である。なお、バックライト上でユニットセルを測定するときは、バックライトの熱により、表面温度が４０度程度になった。屈折率，弾性定数は温度によって変化する。表１は４０度における値であり、図２を作図する際の散乱指標はこの値を元にしている。レーザ光源を用いて散乱光を測定する際は室温であるため、図３の散乱指標はそれぞれ２０度における値を用いて算出している。このように、温度で特性が変化するので、液晶表示装置とする場合には、実際の使用温度における値を用いればよい。一般に、温度が低下すれば、散乱光強度，光漏れともに減少する。屈折率も弾性定数も温度低下に伴って増大するが、弾性定数の増加率の方が大きいためである。また、本実施例、以下の実施例の液晶表示装置では液晶層の温度は約４０度であるが、用いるバックライトユニットによって温度が変わる場合には、その温度における散乱指標との関係とすればよい。また、本発明では、液晶の屈折率は５４６ｎｍを基準としている。
なお、液晶材料の屈折率異方性（異常光屈折率と常光屈折率の差、Δｎで表される）と液晶層の厚み（ｄで表される）の積で示されるリタデーション（複屈折位相差とも称される、ｄΔｎで表される）は、ノーマリクローズモード液晶表示装置の白表示の特性を決める重要な構成要素であるため、白表示の特性を考慮した値に設定することが重要である。そのためには、０.３２以上０.４０以下であることが好ましい。
以上から、黒表示、及び白表示双方において最適な値とし、高いコントラスト比を得るためには、液晶材料の光学的性質を示す屈折率について、その常光屈折率が１.４６以上１.４９以下であり、異常光屈折率が１.５４以上１.５９以下であり、かつ、機械的性質を示す弾性定数のうち、スプレイＫ11，ツイストＫ22，ベンドＫ33の平均値で表される平均弾性定数Ｋが少なくとも８以上であるネマティック液晶材料を用いればよいことがわかった。
すなわち、屈折率を低減，弾性定数を増大させることが重要であるが、屈折率異方性は前述のように白表示特性から決められているため、異常光，常光屈折率の絶対値を低減することが好ましい。弾性定数は増大すればするほどよいが、より好ましくは９以上、さらに好ましくは１０以上である。上限は、理論的には液晶相を示す材料としての限界値となるが、実用上の観点からは、ベンドＫ33（ほとんどの材料で最も大きい値を示す）以下であって、ほぼ２５以下となる。好ましくは２０以下となる。
この液晶材料を用いることで、ノーマリクローズモード液晶表示装置における黒表示の光漏れを劇的に低減することが可能となる。本発明により、黒輝度を低減し、かつ白輝度を十分に得ることができ、液晶表示装置において高いコントラスト比を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
本発明の第１実施例である液晶表示装置の製造について、図１，図７〜図１０を参照して説明する。図１は、本発明による液晶表示装置の実施の形態を説明する模式断面図である。図７，図８は、本発明による液晶表示装置の実施の形態を説明する一画素付近の模式断面図である。図９は、本発明による液晶表示装置の実施の形態を説明するアクティブマトリクス基板の一画素付近の構成を示す模式図、図１０はカラーフィルター基板の一絵素（本実施例では、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素の三原色構成）付近の模式図である。
本発明の液晶表示装置は、図１に記載の通り、一対の基板（基板３１，３２）と、その一対の基板に挟持された液晶層２１と、一対の基板の少なくとも一方に形成され、液晶層２１に電界を印加するための電極群と、を有する液晶パネル１５と、その液晶パネル１５を挟持する一対の偏光板（偏光板１１，１２）と、光学シート１７，光源を有する光源ユニット１６とを備える。
図７〜図９に示すように、アクティブマトリクス基板として基板３１上には、ＩＴＯ（インジウム−ティン−オキサイド）からなる共通電極（コモン電極）３３が配置され、Ｍｏ／Ａｌ（モリブデン／アルミニウム）からなる走査電極（ゲート電極）３４、および共通電極配線（コモン配線）４６がＩＴＯ共通電極に重なるように形成され、この共通電極３３，ゲート電極３４、および共通電極配線４６を被覆するように窒化珪素からなるゲート絶縁膜３７が形成されている。また、走査電極３４上には、ゲート絶縁膜３７を介してアモルファスシリコンまたはポリシリコンからなる半導体膜４１が配置され、アクティブ素子として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の能動層として機能する。また、半導体膜４１のパターンの一部に重畳するように、Ｃｒ／Ｍｏ（クロム／モリブデン）よりなる信号電極（ドレイン電極）３６と画素電極（ソース電極）配線４８が配置され、これらすべてを被覆するように窒化珪素からなる保護絶縁膜３８が形成されている。
また、図７に示すように、液晶層２１を挟持するように一対の配向膜（配向膜２２，２３）が配置されている。アクティブマトリクス基板である基板３１とは反対側の基板３２上には、カラーフィルター層４２が形成され、その上にオーバーコート層４３が形成されている。また画素間にはブラックマトリクス４４が形成されている。
また、図８に示すように、保護絶縁膜３８を介して形成されたスルーホール４５を介してメタル（Ｃｒ／Ｍｏ）の画素電極（ソース電極）配線４８に接続するＩＴＯ画素電極（ソース電極）３５が保護絶縁膜３８上に配置されている。また、図９からわかるように、平面的には一画素の領域においてＩＴＯ共通電極（コモン電極）３３は平板状に形成されており、ＩＴＯ画素電極（ソース電極）３５が約８度傾いた櫛歯状に形成されている。対角３２インチ，ＷＸＧＡの画素数を有するアクティブマトリクス基板を得た。
次に、図１０に示すように、基板３２上に、東京応化工業（株）製のブラックレジストを用いて、定法であるフォトリソグラフィー法により、塗布，プリベーク，露光，現像，リンス，ポストベークの工程を経てブラックマトリクス４４を形成した。本実施例では、膜厚を１.５μｍとしたが、膜厚は、光学濃度が概ね３以上になるように、用いるブラックレジストにあわせればよい。次に、カラーレジスト３色を用いて、定法であるフォトリソグラフィー法に従い、塗布，プリベーク，露光，現像，リンス，ポストベークの工程を経て、カラーフィルター層４２を形成した。本実施例では、青が３.０μｍ、緑が２.８μｍ、赤が２.７μｍとしたが、膜厚は所望の色純度、もしくは液晶層厚に対して適宜あわせればよい。本実施例では、ブラックマトリクス４４は、１画素を取り囲むように形成したが、ＴＦＴ基板の走査電極３４と重なる領域に形成し、異なる色が重なる領域には形成せず、隣接し、かつ異なる色のレジストが重なるように形成してもよい。また、一般にインクジェット方式と呼ばれる方法で作成したカラーフィルターを用いてもよい。
次に、平坦化とカラーフィルター層の保護を目的として、新日鐵化学Ｖ−２５９を用いて、オーバーコート層４３を形成した。露光は、高圧水銀ランプのｉ線により、２００ｍＪ／cm2の光量を照射し、次いで２００℃３０分加熱により形成した。膜厚は、画素上でほぼ１.２〜１.５μｍであった。なお、カラーフィルター層からの防汚が十分である場合には、オーバーコート層は形成しなくても構わない。次に、柱状スペーサー４７を、感光性樹脂を用いて、定法であるフォトリソグラフィー法とエッチング処理により、青画素同士に挟まれたブラックマトリクス上に、ほぼ３.９μｍの高さで形成した。なお、柱状スペーサーは、必要に応じて任意の位置に形成でき、本実施例に限定されない。また、球状のボールスペーサーを印刷やインクジェット方式等により、選択配置する方法でもよい。
ＴＦＴ基板，カラーフィルター基板、それぞれにポリアミック酸ワニスを印刷形成し、２１０℃３０分の加熱処理を行い、約１００ｎｍの緻密なポリイミド膜からなる配向膜２２，２３を形成し、ラビング処理した。本実施例の配向膜材料には特に限定はなく、たとえば、ジアミンとして２，２−ビス［４−（ｐ−アミノフェノキシ）フェニルプロパン］、酸無水物としてピロメリット酸二無水物を用いたポリイミドやアミン成分としてパラフェニレンジアミン，ジアミノジフェニルメタンなどを用い、酸無水物成分として脂肪族テトラカルボン酸二無水物やピロメリット酸に無水物などを用いたポリイミドでもよい。本実施例ではラビング法を用いたが、これに限定されることなく、たとえば、光官能性の配向膜材料を用いて、偏光紫外線照射による配向膜形成であってもよし、ダイヤモンドライクカーボンを用いたイオンビーム法であってもよい。液晶配向方向は、図９に示す走査電極３４の方向、すなわち図面の水平方向とした。
また、液晶層が示す透過軸が、一対の偏光板のうち光源側に配置される偏光板の透過軸とほぼ平行に配置した。
次に、これらの２枚の基板をそれぞれの液晶配向能を有する配向膜２２，２３を有する表面を相対させて、周辺部にシール剤を塗布し、液晶パネルを組み立てた。
このパネルに、誘電率異方性が＋３.４（１ｋＨｚ，２５℃）であり、異常光屈折率が１.５８７５、常光屈折率が１.４８７３、屈折率異方性が０.１００２（波長５４６ｎｍ，２５℃）、Ｋ11が１６.４、Ｋ22が８.７、Ｋ33が２１.３、平均弾性定数が１５.５（２５℃）のネマティック液晶組成物を封入した。
液晶パネル基板の外側に、偏光板１１，１２を直交するように貼付した。このとき、視野角補償フィルムを用いれば、視野角方向のコントラスト向上効果が得られる。本発明により正面コントラストを向上できるので、視野角補償フィルムを併用することで、視野角方向へのコントラスト向上効果も得られ、ディスプレイの画質はさらに向上する。
駆動回路，光源ユニットなどを接続して、液晶モジュールとし、液晶表示装置を得た。光源ユニットの構成は、光源として三波長蛍光管を１２本用いる直下型であり、光源上に、拡散板，拡散シート３枚を配置した。なお、光源ユニットの構成は、本実施例に限定されない。拡散シートだけでなく、集光シートや偏光変換層による光利用効率向上シートを用いる構成であってもよい。また、光源では、蛍光管の場合、熱陰極管，冷陰極管のどちらであってもかまわないし、発光ダイオードや、有機ＥＬ等を光源として用いてもよい。直下型でなく、サイドライト型とする場合には、導光板を用いればよい。
本実施例における液晶表示装置のパネルコントラスト比は１５３０であった。なお、パネルコントラスト比は、ＢＬ光源の調光がなく、同一光源強度における最小輝度と最大輝度から定義されるパネル固有のコントラスト比として定義する。測定方法としては、同一光源強度において、全画面最大輝度，最小輝度を表示させて最大輝度を最小輝度で除した値、もしくは、背景画面を最小輝度（最小階調）として、同一画面の一部に最大階調（最大輝度）のウィンドウを表示させ、その最大輝度を背景の最小輝度で除した値、として測定する。画面の表示輝度に合わせてγを補正する画像処理エンジンが作用する場合は、前者の全面表示を用いたコントラスト、画面の表示輝度に合わせた画像エンジンを作用させない場合は、どちらでもよい。また、画像エンジンを考慮した実用上のコントラストを評価する場合には、後者の方法で測定する。本明細書では、前者の方法によるコントラストをパネルコントラスト、後者の方法で測定するコントラストをダイナミックγコントラスト、ＢＬの調光を含めてすべての画像処理エンジンを作動させた状態で、同一画面の表示（ウィンドウ表示によるコントラスト測定）におけるコントラストを実用コントラストとして定義する。
本実施例におけるパネルと後述する比較例１のパネルを並べて、延べ５７名の観察者にＤＶＤによる映画を鑑賞してもらったところ、５４名から本実施例のパネルで見る画像が明らかに美しいとの回答を得た。３名は、差異がよくわからないとの回答であった。５７名の内訳は、２３名がディスプレイ開発従事者、３４名が非関係者であった。年齢は２５歳から６２歳で、最大分布は３５歳から４５歳である。
［比較例１］
比較例として、実施例１と液晶材料のみ異なるパネルを作成した。本比較例に用いた液晶材料Ｂは、誘電率異方性が＋４.３（１ｋＨｚ，２５℃）であり、異常光屈折率が１.５９３８、常光屈折率が１.４９３４、屈折率異方性が０.１００（波長５４６ｎｍ，２５℃）、平均弾性定数が７.８（２５℃）のネマティック液晶組成物を封入した。本比較例のパネルコントラストは８７０であった。
比較例として、実施例１と液晶材料のみ異なるパネルを作成した。本比較例に用いた液晶材料Ｂは、誘電率異方性が＋４.３（１ｋＨｚ，２５℃）であり、異常光屈折率が１.５９３８、常光屈折率が１.４９３４、屈折率異方性が０.１００（波長５４６ｎｍ，２５℃）、平均弾性定数が７.８（２５℃）のネマティック液晶組成物を封入した。本比較例のパネルコントラストは８７０であった。
液晶材料Ｃ〜Ｊを用いて、それぞれ実施例１と同様の液晶パネルを作成した。各物性と液晶層の厚み、式（１）で定義したＳk、およびパネルコントラスト（ＣＲ）を表２に示す。
散乱指数Ｓkとパネルコントラストの相関性を図１１に示す。図１１に示すように、散乱指数とパネルコントラストはよい相関性があることが明らかである。なお、この相関性は、リタデーション（液晶のΔｎと液晶層厚みの積）が著しく異ならない条件のときに成り立つが、実際の液晶パネルでは、リタデーションの値は白表示の輝度、あるいは最大輝度の値を支配する因子であり、実用的な液晶パネルにおける設定値の範囲内であれば、問題なくこの相関性が得られる。
この相関から、散乱指数が４（×１０4ｍ／Ｎ）以下であれば、パネルコントラストが１０００以上である関係がわかる。同様に、散乱指数が３.２（×１０4ｍ／Ｎ）以下であればパネルコントラストは１２００、さらに散乱指数が２.５（×１０4ｍ／Ｎ）以下であればパネルコントラストは１４００以上が得られる。
なお、このとき、液晶パネル内における液晶以外の散乱媒体であるカラーフィルターと電極基板の偏光解消度，偏光子の偏光度によって、散乱指数とパネルコントラストの関係は平行移動する。本実施例に於いては、偏光度０.９９９６７の偏光板と、偏光解消度が１.５〜１.８×１０-4の範囲にあるカラーフィルターを用いている。これらの部材の偏光度，偏光解消度が大きく変動する場合は、改めて相関性を求める必要があるが、現実的には、高コントラスト化が要求される液晶パネルにおいては、それらの部材に対する偏光解消度は低減する改善がなされ、偏光板偏光度はより高くなる改善であり、上記の散乱指数、たとえば散乱指数が３.２（×１０4ｍ／Ｎ）のとき、現状ではパネルコントラストが１２００であるパネルが１３００に向上する、という改善方向であるため、この指標で決めておけば何ら問題はない。
本実施例における偏光板偏光度Ｐは、光源としてバックライトユニットを用いて、一対の偏光板をクロス（Ｌ90），パラレル（Ｌ0）配置したときの輝度を測定して、式（３）により求めた。
カラーフィルターの偏光解消度ｄは、光源としてバックライトユニットを用いて、一対の偏光板の間にカラーフィルター基板を配置し、偏光板をクロス（Ｌ90′），パラレル（Ｌ0′）配置したときの輝度を測定して式（４）により求めた。
ここで、Ｐ′は、カラーフィルターの分光特性を考慮した偏光板偏光度である。
また、図１２は、黒表示の輝度と散乱指数との相関である。上述の白表示の影響を排除できるため、散乱強度による黒表示の光漏れを表しており、図１２は、非常に良好な相関性を示す。すなわち、カラーフィルターや電極基板等の偏光解消度を低減したり、偏光板の偏光度を向上したりすることで、図１２において下方にシフトする。
次に、被験者７名で実施した官能試験結果を述べる。
７名の被験者に、平均輝度レベル（ＡＬＬ）が５％から４０％の映像が全体の８７％を占めるテレビ放送を５分、平均輝度レベル（ＡＬＬ）が４％から４０％の映像が全体の９５％を占める映画を５分、１回鑑賞する毎に３分の休憩をとって鑑賞してもらった。まず、テレビ放送、次に１０分の休憩を挟んで映画を鑑賞してもらった。被験者に見せるディスプレイがどのタイプであるかは伏せ、テレビ放送と映画放送を鑑賞する差異の順番を変えるようにした。部屋は、垂直照度１００ルクス程度とし、間接照明を用いて、ディスプレイ表面に照明が映り込まないようにした。
官能試験に用いたディスプレイは、液晶材料Ａ（実施例１），Ｂ（比較例１），Ｃ（実施例３），Ｉ（実施例３）の４台で、以下、液晶材料で記載する。
５分の映像をみた直後に、以下の５段階で評価してもらった。許容限を３.５、我慢限を２とする。
５：非常に美しい画像が見られる
４：ところどころ物足りなさを感じるが、概ね美しい画像が見られる
３：美しさを感じることはほとんどないが、不満もない
２：ところどころ不満がある
１：強く不満を感じる
この結果を表３に示す。表中の数字は被験者７名の平均点である。
４：ところどころ物足りなさを感じるが、概ね美しい画像が見られる
３：美しさを感じることはほとんどないが、不満もない
２：ところどころ不満がある
１：強く不満を感じる
この結果を表３に示す。表中の数字は被験者７名の平均点である。
ＴＶ放送においては、比較例のＢ以外のディスプレイで許容限をクリアした。映画放送においては、許容限がＡ、我慢限がＣ，Ｈであり、Ｂでは我慢限を下回った。Ｂでは、ＴＶ放送のみを鑑賞する分には比較例Ｂでも我慢はできるか、映画（ＤＶＤ）鑑賞には堪えられない画質であることがわかった。リビングで映画を鑑賞することは日常的とまではいかないにしても、週末に鑑賞することは多い。このことから、パネルコントラストが少なくとも１０００が必要であることがわかる。
パネルコントラスト１０００を達成するためには、散乱指数Ｓkが３.８５以下となる必要がある。そのためには、液晶材料は、異常光屈折率が１.６を超えてはならず、平均弾性定数は９.４以上であることが必要である。前述したとおり、リタデーション（屈折率異方性と液晶層厚みの積）は、白表示の特性から大きく変更されることはないので、散乱指数に関わる物性値をすべて任意に決めることはできない。そのため、液晶材料の異常光屈折率と平均弾性定数の臨界値としての数値が決定されるのである。
さらに好ましくは、パネルコントラスト１２００であることが、表２からわかる。すなわち、ディスプレイＩ（パネルコントラスト１０１０）の映画鑑賞の場合、平均では我慢限をクリアするが、標準偏差を考慮すると、このディスプレイでは我慢限をクリアできない、すなわち、不満を感じる人がかなりの割合で存在することが読み取れるからである。パネルコントラスト１２００以上であれば、かなりの割合で我慢限をクリアすることが表２からわかる。従って、より好ましくはパネルコントラスト１２００であることがわかる。パネルコントラスト１２００を達成するには、散乱指数Ｓkが３.１１以下となる必要がある。そのためには、液晶材料は、異常光屈折率が１.５９を超えてはならず、常光屈折率は１.４９を超えてはならず、平均弾性定数は１１.５以上であることが必要である。前述したとおり、リタデーション（屈折率異方性と液晶層厚みの積）は、白表示の特性から大きく変更されることはないので、散乱指数に関わる物性値をすべて任意に決めることはできない。そのため、液晶材料の異常光屈折率，常光屈折率と平均弾性定数の臨界値としての数値が決定されるのである。
さらに好ましくはパネルコントラスト１５００以上である。いずれにおいても許容限をクリアできるからである。パネルコントラスト１５００を達成するためには、散乱指数Ｓkが２.３以下となる必要がある。そのためには、液晶材料は、異常光屈折率が１.５９を超えてはならず、常光屈折率は１.４９を超えてはならず、平均弾性定数は１５以上であることが必要である。前述したとおり、リタデーション（屈折率異方性と液晶層厚みの積）は、白表示の特性から大きく変更されることはないので、散乱指数に関わる物性値をすべて任意に決めることはできない。そのため、液晶材料の異常光屈折率，常光屈折率と平均弾性定数の臨界値としての数値が決定されるのである。
また、画質評価の観点からも、本発明の有効性を説明できる。図１３は、白表示の輝度を１として、各階調の輝度を相対輝度として横軸に、その相対輝度と黒表示の比である階調コントラストを縦軸に表した図である。■がパネルコントラスト１５３０であるＡ、◇がパネルコントラスト１２００であるＣ、●がパネルコントラスト１０１０であるＩ、△がパネルコントラスト８７０である比較例Ｂである。
低階調の輝度に対して、高いコントラスト比を保持するには、白黒表示の比で示されるパネルコントラストを十分に高くする必要がある。ＴＶ放送は、ＡＬＬが５％（相対輝度０.０５）から４０％（相対輝度０.４）が８７％を占める。高階調側はつねに十分なコントラストが保持できるので、画質評価に強く影響するのは、低階調である。そこで、低階調付近（相対輝度０.１以下）における階調コントラストを図１４に示す。ここから、これらのディスプレイの特徴が明確になる。コントラスト比が５０以下になると、黒白の対比感が著しく劣るので、コントラスト比５０は非常に重要な臨界値である。比較例Ｂは、ＴＶ放送の相対輝度０.０５において、コントラスト比５０を保持できない。これは、黒表示の輝度が高い（パネルコントラストが低い）からである。逆に、相対輝度０.０５においてコントラスト比５０を保持するには、少なくともパネルコントラスト１０００が必要である、といえる。このことは官能試験結果とよく一致する。
一方、相対輝度０.０４（４％）においてコントラスト５０以上となる。これを超えるのは、本実施例ではパネルＡであり、官能試験結果も呼応している。
また、テレビを視聴する条件において、画角の特性を評価することが重要である。すなわち、ハイビジョン放送では、３Ｈ（縦横比９：１６のパネルサイズで、縦方向の長さの３倍）の距離で視聴することが適しているといわれている。つまり、パネルの端から端までを３３度の角度で視聴することが、いわゆる没入感を得るのに適しているためといわれている。従って、３３度の範囲内で、相対輝度０.０５における階調コントラスト５０が最も重要視される特性である。
図１５は、水平方向の視野角とコントラスト比を示す。本実施例における表示装置において、視野角３３度では正面に対してコントラスト比が約１０％低下する。この画角範囲内で、相対輝度０.０５における階調コントラスト５０を達成するパネルはＡ，Ｃであることから、パネルコントラスト１２００以上が、テレビとして好ましいことがわかる。また、パネルコントラスト１５００であるＡは、相対輝度０.０４の階調コントラストにおいて、画角範囲内もコントラスト５０を保持できる。
以上の結果から、少なくともパネルコントラスト１０００が必要であることが明らかである。また、１２００であればテレビとしてより好ましく、１５００であれば、映画（低階調が多い映像）を視聴するにも十分な画質を提供できることがわかる。
本発明では、パネルコントラストでのみ比較したが、たとえば、ＡＬＬにあわせてバックライトの輝度を調光する、あるいはＡＬＬにあわせて階調（ガンマ特性を）を制御する等、ダイナミックγコントラスト、実用コントラストの定義を用いれば、数値としてはパネルコントラストよりさらに改善した値を得ることができる。たとえば、人間の視知覚として、最大感度はコントラスト１００〜２００と言われている。そこで、相対輝度０.０５の階調コントラストの目標を１００とすると、パネルコントラストに求められる値は１８５０となるが、ダイナミックγコントラストや実用コントラストでは、パネルコントラスト１５００あれば達成できると我々は見込んでいる。
本発明は液晶表示装置全般に関する。
１１，１２ 偏光板
１５ 液晶パネル
１６ 光源ユニット
１７ 光学シート
２１ 液晶層
２２，２３ 配向膜
３１，３２ 基板
３３ 共通電極（コモン電極）
３４ 走査電極（ゲート電極）
３５ 画素電極（ソース電極）
３６ 信号電極（ドレイン電極）
３７ 絶縁膜
３８ 保護絶縁膜
３９ 層間絶縁膜
４０ 薄膜トランジスタ
４１ 半導体膜
４２ カラーフィルター層
４３ オーバーコート層
４４ ブラックマトリクス
４５ スルーホール
４６ 共通電極配線
４７ 柱状スペーサー
４８ 画素電極配線
１５ 液晶パネル
１６ 光源ユニット
１７ 光学シート
２１ 液晶層
２２，２３ 配向膜
３１，３２ 基板
３３ 共通電極（コモン電極）
３４ 走査電極（ゲート電極）
３５ 画素電極（ソース電極）
３６ 信号電極（ドレイン電極）
３７ 絶縁膜
３８ 保護絶縁膜
３９ 層間絶縁膜
４０ 薄膜トランジスタ
４１ 半導体膜
４２ カラーフィルター層
４３ オーバーコート層
４４ ブラックマトリクス
４５ スルーホール
４６ 共通電極配線
４７ 柱状スペーサー
４８ 画素電極配線
Claims (7)
- 一対の基板と、
前記一対の基板に挟持された液晶層と、
前記一対の基板の一方に形成され、前記液晶層に電界を印加するための電極群と、を有する液晶パネルと、
前記一対の基板にそれぞれ配置された一対の偏光板と、
前記一対の基板の外側に配置する光源ユニットと、を有し、
前記電極群は共通電極，画素電極および走査電極を含み、
前記液晶層中の液晶の配向方向は前記走査電極の方向と平行であり、
前記液晶層は、常光屈折率が１.４６以上１.４９以下であり、
異常光屈折率が１.５４以上１.５９以下であり、
平均弾性定数が１１.２×１０-12Ｎ以上２５×１０-12Ｎ以下であって、
ネマティック相を示す液晶材料を有し、
前記液晶パネルのコントラストは、１０００以上であり、
最大輝度表示に対する相対輝度５％の値と最小輝度との比で示す階調コントラスト比が少なくとも５０である液晶表示装置。 - 請求項１に記載の液晶表示装置において、
前記液晶材料の屈折率異方性と前記液晶層の厚みを乗じた複屈折位相差が、０.３２×１０-6ｍ以上０.４０×１０-6ｍ以下である液晶表示装置。 - 請求項１または２に記載の液晶表示装置において、
前記液晶材料の平均弾性定数が１１.５×１０-12Ｎ以上２０×１０-12Ｎ以下である液晶表示装置。 - 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液晶表示装置において、
前記液晶材料の平均弾性定数が１５×１０-12Ｎ以上２０×１０-12Ｎ以下である液晶表示装置。 - 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液晶表示装置において、
最大輝度表示に対する相対輝度４％の値と最小輝度との比で示す階調コントラスト比が少なくとも５０である液晶表示装置。 - 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液晶表示装置において、
最大輝度表示に対する相対輝度５％の値と最小輝度との比で示す階調コントラスト比が、パネルの左右方向に対して鉛直方向から３３度の範囲内で少なくとも５０である液晶表示装置。 - 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の液晶表示装置において、
最大輝度表示に対する相対輝度４％の値と最小輝度との比で示す階調コントラスト比が、パネルの左右方向に対して鉛直方向から３３度の範囲内で少なくとも５０である液晶表示装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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