JP5285318B2 - Vaモード液晶装置用光学補償フィルム、及びvaモード液晶表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、VAモード液晶表示装置用光学補償フィルム、及び該光学補償フィルムを用いたVAモード液晶表示装置に関する。
従来、VA(Vertically Aligned)モード液晶表示装置について種々の改良が提案されている。例えば、特許文献1には、視野角特性及びコントラストの観点で最適化されたVAモード液晶表示装置が提案されている。
しかし、液晶ディスプレイの表示特性は、視野角特性及びコントラストという観点のみならず、諧調性の観点からも最適化されることが望まれる。階調性は、色再現性を左右する因子であり、カラー表示においては表示特性の優劣を判断する重要な特性である。従来のVAモード液晶表示装置についての表示特性の改善は、主に、黒輝度をいかに低くするかということ、即ちコントラストの改善に重点が置かれ、階調性の観点での表示特性の最適化についてはほとんど検討されていない。
特開平10−153802号公報
本発明者が検討した結果、VAモード液晶表示装置を、視野角特性及びコントラストという観点から最適化する方向性と、階調性という観点から最適化する方向性は必ずしも一致せず、従来の光学補償フィルムでは、視野角特性及びコントラストを損なうことなく、階調性を改善することができないことがわかった。
本発明は、視野角特性及びコントラストを損なうことなく、VAモード液晶表示装置の階調性の改善に寄与する新規な光学補償フィルムを提供することを課題とする。
また、本発明は、視野角特性、コントラスト及び階調性のいずれについても良好なバランスのよい表示特性のVAモード液晶表示装置を提供することを課題とする。
前記課題を解決するための手段は以下の通りである。
[1] 波長550nmにおける面内レターデーションRe(550)が20〜100nm、及び波長550nmにおける厚み方向レターデーションRth(550)が60〜120nmであることを特徴とするVAモード液晶表示装置用光学補償フィルム。
[2] 波長630nmにおける面内レターデーションRe(630)と波長450nmにおける面内レターデーションRe(450)との差ΔRe630-450が−10〜10nm、及び波長630nmにおける厚み方向レターデーションRth(630)と波長450nmにおける厚み方向レターデーションRth(450)との差ΔRth630-450が−12〜12nmであることを特徴とする[1]の光学補償フィルム。
[3] 一対の偏光子、該一対の偏光子の間に配置された液晶セル、及び該一対の偏光子のそれぞれと前記液晶セルとの間に配置された[1]又は[2]の光学補償フィルムを有することを特徴とするVAモード液晶表示装置。
[4] 前記液晶セルが、マルチドメインの液晶セルであることを特徴とする[3]のVAモード液晶表示装置。
[5] 前記液晶セルが、一画素が8ドメインからなるマルチドメインの液晶セルであることを特徴とする[3]のVAモード液晶表示装置。
[6] 前記液晶セルが、マルチギャップ構造の液晶セルであることを特徴とする[3]〜[5]のいずれかのVAモード液晶表示装置。
[7] 前記一対の偏光子の一方の外側に、バックライトユニットを備え、該バックライトユニットが、発光面下に複数の光源が配置された直下型のバックライトユニットであって、前記発光面の法線方向となる正面方向と、前記法線方向から所定角度傾斜した斜め方向との発光スペクトルを個別に設定する発光スペクトル設定手段を備えていることを特徴とする[3]〜[6]のいずれかのVAモード液晶表示装置。
[8] 前記バックライトユニットの前記複数の光源が、発光色の異なる複数のLED光源からなり、前記正面方向を出射光光軸とする第1の光源と、前記斜め方向を出射光光軸とする第2の光源とを前記発光色毎にそれぞれ備え、前記発光スペクトル設定手段が、前記第2の光源に対する発光強度を発光色毎に変更することを特徴とする[7]のVAモード液晶表示装置。
[9] 前記バックライトユニットの前記第2の光源が、前記正面方向に平行な面内で、前記正面方向から所定の傾斜角度の方向にそれぞれ出射光光軸が設定されていることを特徴とする[8]のVAモード液晶表示装置。
[10] 前記バックライトユニットの前記第1の光源と前記第2の光源のLED素子が一体にされた多方向照射ユニットが、前記発光面下の複数箇所に分散配置されていることを特徴とする[8]又は[9]のVAモード液晶表示装置。
[11] 各発光色の前記多方向照射ユニットが、それぞれ格子状に配置されていることを特徴とする[10]のVAモード液晶表示装置。
[12] 前記発光面が複数のブロックからなり、前記発光スペクトル設定手段が、前記複数のブロックのそれぞれに含まれる前記第1の光源および前記第2の光源をブロック毎に独立して発光強度を設定することを特徴とする[7]〜[11]のいずれかのVAモード液晶表示装置。
以下、本発明について説明する。尚、本願明細書において「〜」とはその前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
まず、本明細書における、Re(λ)及びRth(λ)の詳細について以下に記す。
(Re、Rthの測定)
本明細書において、Re(λ)及びRth(λ)は各々、波長λにおける面内のレターデーション(nm)及び厚さ方向レターデーション(nm)を表す。Re(λ)はKOBRA 21ADH又はWR(王子計測機器(株)製)において波長λnmの光をフィルム法線方向に入射させて測定される。
測定されるフィルムが1軸又は2軸の屈折率楕円体で表されるものである場合には、以下の方法によりRth(λ)は算出される。
Rth(λ)は前記Re(λ)を、面内の遅相軸(KOBRA 21ADH又はWRにより判断される)を傾斜軸(回転軸)として(遅相軸がない場合にはフィルム面内の任意の方向を回転軸とする)のフィルム法線方向に対して法線方向から片側50度まで10度ステップで各々その傾斜した方向から波長λnmの光を入射させて全部で6点測定し、その測定されたレターデーション値と平均屈折率の仮定値及び入力された膜厚値を基にKOBRA 21ADH又はWRが算出する。
上記において、法線方向から面内の遅相軸を回転軸として、あるチルト角度にレターデーションの値がゼロとなる方向をもつフィルムの場合には、そのチルト角度より大きいチルト角度でのレターデーション値はその符号を負に変更した後、KOBRA 21ADH又はWRが算出する。
尚、遅相軸を傾斜軸(回転軸)として(遅相軸がない場合にはフィルム面内の任意の方向を回転軸とする)、任意の傾斜した2方向からレターデーション値を測定し、その値と平均屈折率の仮定値及び入力された膜厚値を基に、以下の式(1)及び式(2)よりRthを算出することもできる。
Figure 0005285318
注記:
上記式中、Re(θ)は法線方向から角度θ傾斜した方向におけるレターデーション値を表す。nxは面内における遅相軸方向の屈折率を表し、nyは面内においてnxに直交する方向の屈折率を表し、nzはnx及びnyに直交する方向の屈折率を表し、dは膜厚を表す。
測定されるフィルムが1軸や2軸の屈折率楕円体で表現できないもの、いわゆる光学軸(optic axis)がないフィルムの場合には、以下の方法によりRth(λ)は算出される。
Rth(λ)は前記Re(λ)を、面内の遅相軸(KOBRA 21ADH又はWRにより判断される)を傾斜軸(回転軸)としてフィルム法線方向に対して−50度から+50度まで10度ステップで各々その傾斜した方向から波長λnmの光を入射させて11点測定し、その測定されたレターデーション値と平均屈折率の仮定値及び入力された膜厚値を基にKOBRA 21ADH又はWRが算出する。
上記の測定において、平均屈折率の仮定値は、ポリマーハンドブック(JOHN WILEY&SONS,INC)、各種光学フィルムのカタログの値を使用することができる。平均屈折率の値が既知でないものについてはアッベ屈折計で測定することができる。主な光学フィルムの平均屈折率の値を以下に例示する:
セルロースアシレート(1.48)、シクロオレフィンポリマー(1.52)、ポリカーボネート(1.59)、ポリメチルメタクリレート(1.49)、ポリスチレン(1.59)である。
これら平均屈折率の仮定値と膜厚を入力することで、KOBRA 21ADH又はWRはnx、ny、nzを算出する。この算出されたnx、ny、nzよりNz=(nx−nz)/(nx−ny)がさらに算出される。
[光学補償フィルム]
本発明は、Re(550)が20〜100nm、及びRth(550)が60〜120nmである光学補償フィルムに関する。本発明の光学補償フィルムは、視野角特性及びコントラストを損なうことなく、VAモード液晶表示装置の階調性の改善に寄与する。同観点から、Re(550)は30〜90nmであるのが好ましく、40〜80nmであるのがより好ましく;また、Rth(550)は、70〜110nmであるのが好ましく、80〜100nmであるのがより好ましい。
さらに、VAモード液晶表示装置の、斜め方向において黒表示時に生じるカラーシフトを軽減する観点から、本発明の光学補償フィルムは、Re及びRthについて可視光域の光に対する波長分散性が波長によらず一定であるのが好ましく、具体的には、Re(630)とRe(450)との差ΔRe630-450が−10〜10nmであり、及びRth(630)とRth(450)との差ΔRth630-450が−12〜12nmであるのが好ましい。さらに、ΔRe630-450は、−7〜7nmであるのがより好ましく、−5〜5nmであるのがさらに好ましい。また、ΔRth630-450は、−10〜10nmであるのがより好ましく、−8〜8nmであるのがより好ましい。
本発明の光学補償フィルムの材料については特に制限はない。溶融製膜法及び溶液製膜法等いずれの製膜法によって作製されたフィルムも使用することができる。光学性能、透明性、機械的強度、熱安定性、水分遮蔽性、等方性などに優れるポリマーを用いるのが好ましいが、上述の光学特性を満足するフィルムを作製可能であれば、どのような材料を用いてもよい。例えば、ポリカーボネート系ポリマー、ポリエチレンテレフタレートやポリエチレンナフタレート等のポリエステル系ポリマー、ポリメチルメタクリレート等のアクリル系ポリマー、ポリスチレンやアクリロニトリル・スチレン共重合体(AS樹脂)等のスチレン系ポリマー等が挙げられる。また、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、エチレン・プロピレン共重合体の如きポリオレフィン系ポリマー、塩化ビニル系ポリマー、ナイロンや芳香族ポリアミド等のアミド系ポリマー、イミド系ポリマー、スルホン系ポリマー、ポリエーテルスルホン系ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド系ポリマー、塩化ビニリデン系ポリマー、ビニルアルコール系ポリマー、ビニルブチラール系ポリマー、アリレート系ポリマー、ポリオキシメチレン系ポリマー、エポキシ系ポリマー、または前記ポリマーを混合したポリマーも例として挙げられる。
また、前記ポリマーフィルムを形成する材料としては、熱可塑性ノルボルネン系樹脂を好ましく用いることができる。熱可塑性ノルボルネン系樹脂としては、日本ゼオン(株)製のゼオネックス、ゼオノア、JSR(株)製のアートン等が挙げられる。
また、前記ポリマーフィルムを形成する材料としては、従来偏光板の透明保護フィルムとして用いられてきたセルロース系ポリマー(以下、セルロースアシレートという)を特に好ましく用いることができる。セルロースアシレートの代表例としては、トリアセチルセルロースが挙げられる。セルロースアシレート原料のセルロースとしては、綿花リンタや木材パルプ(広葉樹パルプ,針葉樹パルプ)などがあり、何れの原料セルロースから得られるセルロースアシレートでも使用でき、場合により混合して使用してもよい。これらの原料セルロースについての詳細な記載は、例えば、丸澤、宇田著、「プラスチック材料講座(17)繊維素系樹脂」日刊工業新聞社(1970年発行)や発明協会公開技報公技番号2001−1745号(7頁〜8頁)に記載のセルロースを用いることができ、前記セルロースアシレートフィルムに対しては特に限定されるものではない。
セルロースアシレートの置換度は、セルロースの構成単位((β)1,4−グリコシド結合しているグルコース)に存在している、3つの水酸基がアシル化されている割合を意味する。置換度(アシル化度)は、セルロースの構成単位質量当りの結合脂肪酸量を測定して算出することができる。測定方法は、「ASTM D817−91」に準じて実施する。
本発明において、第1及び第2の光学異方性層の形成に用いるセルロースアシレートは、アセチル置換度が2.50〜3.00であるセルロースアセテートが好ましい。前記アセチル置換度は2.70〜2.97がさらに好ましい。
前記セルロースアシレートは、350〜800の質量平均重合度を有することが好ましく、370〜600の質量平均重合度を有することがさらに好ましい。また本発明で用いられるセルロースアシレートは、70000〜230000の数平均分子量を有することが好ましく、75000〜230000の数平均分子量を有することがさらに好ましく、78000〜120000の数平均分子量を有することがよりさらに好ましい。
前記セルロースアシレートは、アシル化剤として酸無水物や酸塩化物を用いて合成できる。工業的に最も一般的な合成方法では、綿花リンタや木材パルプなどから得たセルロースをアセチル基及び他のアシル基に対応する有機酸(酢酸、プロピオン酸、酪酸)又はそれらの酸無水物(無水酢酸、無水プロピオン酸、無水酪酸)を含む混合有機酸成分でエステル化してセルロースエステルを合成する。
前記セルロースアシレートフィルムは、ソルベントキャスト法により製造されるのが好ましい。ソルベントキャスト法を利用したセルロースアシレートフィルムの製造例については、 米国特許第2,336,310号、同2,367,603号、同2,492,078号、同2,492,977号、同2,492,978号、同2,607,704号、同2,739,069号及び同2,739,070号の各明細書、英国特許第640731号及び同736892号の各明細書、並びに特公昭45−4554号、同49−5614号、特開昭60−176834号、同60−203430号及び同62−115035号等の記載を参考にすることができる。また、前記セルロースアシレートフィルムは、延伸処理を施されていてもよい。延伸処理の方法及び条件については、例えば、特開昭62−115035号、特開平4−152125号、同4−284211号、同4−298310号、同11−48271号 等に記載の例を参考にすることができる。
本発明の光学補償フィルムに要求される光学特性を満足するフィルムを作製するために、ポリマー材料中に、Re発現剤及び/又はRth発現剤を添加することができる。Re発現剤及びRth発現剤は、それぞれフィルム面内及びフィルム厚み方向の複屈折を発現する性質を有する化合物のことをいう。本発明に使用可能なReやRthを発現する化合物としては、棒状化合物や円盤状化合物を好ましく用いることができ、これらは特開2004−50516号公報、及び特開2007−86748号公報に記載されている。
また、本発明の光学補償フィルムのRe及びRthの波長分散性を調整するために、波長分散調整剤を添加することができる。波長分散調整剤の例には、オキシベンゾフェノン系化合物、ベンゾトリアゾール系化合物、サリチル酸エステル系化合物、ベンゾフェノン系化合物、シアノアクリレート系化合物、ニッケル錯塩系化合物等の紫外線吸収剤が含まれる。波長分散調整剤は、波長370nm以下の紫外線の吸収能に優れ、且つ波長400nm以上の可視光の吸収が少ない紫外線吸収剤から選択するのが好ましい。着色の少ないベンゾトリアゾール系化合物が好ましい。また、特開平10−182621号公報、特開平8−337574号公報に記載の紫外線吸収剤、特開平6−148430号公報記載の高分子紫外線吸収剤も好ましく用いられる。
また、本発明の光学補償フィルムは、複数の層からなる積層体として、上記光学特性を満足するものであってもよい。ポリマーフィルムの積層体であっても、ポリマーフィルムを支持体とし、その上に、液晶組成物を硬化させて形成された光学異方性層を有するポリマーフィルムと液晶光学異方性層との積層体であってもよい。該光学異方性層はディスコティック化合物から形成することができる。ディスコティック化合物は、一般に、光学的に負の一軸性を有する。ディスコティック化合物は、円盤面と透明支持体面とのなす角が、光学異方性層の深さ方向において変化している(ハイブリッド配向している)ことが好ましい。ディスコティック化合物の光軸は、円盤面の法線方向に存在する。ディスコティック化合物は、光軸方向の屈折率よりも円盤面方向の屈折率が大きな複屈折性を有する。光学異方性層は、ポリマーからなる支持体表面(所望によりその上に形成されたポリビニルアルコール等からなる配向膜表面)でディスコティック化合物を配向させ、その配向状態のディスコティック化合物を固定することによって形成することが好ましい。ディスコティック化合物は、重合反応により固定することが好ましい。
ディスコティック化合物は、様々な文献(C.Destrade et al.,Mol.Crysr.Liq.Cryst.,vol.71,page111(1981);日本化学会編、季刊化学総説、No.22、液晶の化学、第5章、第10章第2節(1994);B.Kohne et al.,Angew.Chem.Soc.Chem.Comm.,page1794(1985);J.Zhang et al.,J.Am.Chem.Soc.,vol.116,page2655(1994))に記載されている。特に好ましいディスコティック化合物は、特開平8−50286号公報に記載がある。ディスコティック化合物の重合については、特開平8−27284公報に記載がある。
光学異方性層は、ディスコティック化合物および必要に応じて重合性開始剤や任意の成分を含む塗布液を、配向膜の上に塗布することで形成できる。光学異方性層の厚さは、0.5〜100μmであることが好ましく、0.5〜30μmであることがさらに好ましい。
配向させたディスコティック化合物を、配向状態を維持して固定する。固定化は、重合反応により実施することが好ましい。重合反応には、熱重合開始剤を用いる熱重合反応と光重合開始剤を用いる光重合反応とが含まれる。光重合反応が好ましい。
光重合開始剤の例には、α−カルボニル化合物(米国特許第2367661号、同2367670号の各明細書記載)、アシロインエーテル(米国特許第2448828号明細書記載)、α−炭化水素置換芳香族アシロイン化合物(米国特許2722512号明細書記載)、多核キノン化合物(米国特許第3046127号、同2951758号の各明細書記載)、トリアリールイミダゾールダイマーとp−アミノフェニルケトンとの組み合わせ(米国特許第3549367号明細書記載)、アクリジンおよびフェナジン化合物(特開昭60−105667号公報、米国特許第4239850号明細書記載)およびオキサジアゾール化合物(米国特許第4212970号明細書記載)が含まれる。
光重合開始剤の使用量は、塗布液の固形分の0.01〜20質量%であることが好ましく、0.5〜5質量%であることがさらに好ましい。
ディスコティック化合物の重合のための光照射は、紫外線を用いることが好ましい。
照射エネルギーは、20〜5000mJ/cm2であることが好ましく、100〜800mJ/cm2であることがさらに好ましい。また、光重合反応を促進するため、加熱条件下で光照射を実施してもよい。保護層を、光学異方性層の上に設けてもよい。
[VAモード液晶表示装置]
本発明は、本発明の光学補償フィルムを有するVAモード液晶表示装置にも関する。本発明のVAモード液晶表示装置の一例の断面概念図を図1に示す。図1に示す液晶表示装置は、VAモード液晶セルLC(10a、12、10b)と、液晶セルLCを挟持して配置される一対の上側偏光膜P1及び下側偏光膜P2とを有する。なお、偏光膜は、双方の表面に保護フィルムを有する偏光板として液晶表示装置に組み込まれるのが一般的であるが、図1では、図面の簡略化のため偏光膜の外側保護フィルムは省略した。上側基板10aと上側偏光膜14aとの間、及び下側基板10bと下側偏光膜14bとの間には、光学補償フィルム18a及び18bがそれぞれ配置されている。光学補償フィルム18a及び18bは、上記光学特性を満足し、それぞれのRe及びRthが互いに実質的に等しい。光学補償フィルム18a及び18bは、その面内遅相軸20a及び20bを、上側偏光膜14a及び下側偏光膜14bの吸収軸16a及び16bと平行にして配置される。即ち、光学補償フィルム18a及び18bは、それぞれの面内遅相軸10a及び20bを直交方向にして配置される。光学補償フィルム18a及び18bがポリマーフィルムからなる又はポリマーフィルム層を含む場合は、それぞれ偏光膜14a及び14bの保護フィルムを兼ねていてもよい。勿論、光学補償フィルム18a及び18bと、偏光膜14a及び14bとの間のそれぞれには、保護フィルムが別途配置されていてもよいが、保護フィルムを配置する場合は、例えば、特開2005−138375号公報に記載のセルロースアシレートフィルム等の、レターデーションがほぼ0である等方性のフィルムを用いるのが好ましい。
本発明の液晶表示装置に用いるVAモード液晶セルについては特に制限はない。一般的なVAモード液晶セルを利用することができる。中でも、マルチドメインのVAモード液晶セルを用いると、広視野角特性がより改善されるので好ましい。VAモード液晶セルでは、黒状態には垂直配向となっているが、マルチドメインのVAモード液晶セルでは、電圧の印加により液晶分子が基板面方向に倒れる際に、一方向ではなく、一画素内で異なる複数の方向に倒れるようになっている。例えば、互いに異なる2方向に配向する2ドメイン構造、4方向に配向する4ドメンイン構造、及び8方向に配向する8ドメイン構造などが知られている。中でも、特開2004−302267号公報等に開示されている、ハーフトーンスケール(HT)法を実現するマルチドメイン(より好ましくは8ドメイン)構造が好ましい。具体的には、基板表面に、各画素を複数のドメインに分割する複数の構造物を形成し、該構造物の間隔に差をもたせることで、各ドメイン内の液晶分子が垂直配向から基板面方向に倒れて傾斜配向する際に、複数の方向に配向するとともに、傾斜配向し始める閾値電圧の高低に差をもたせた、ハーフトーンスケール法を実現可能なマルチドメイン構造が好ましい。
また、前記VAモード液晶セルは、マルチギャップ構造であるのも好ましい。マルチギャップ構造の液晶セルを利用すると、液晶セルの複屈折性の波長分散性を、セルギャップの違いによって軽減することができ、黒表示時のカラーシフトを軽減することができる。特に、光学補償フィルムの中には、Re及び/又はRthの波長分散性を上記好ましい特性に調整し難いものもあるので、かかる光学補償フィルムを利用する態様で、マルチギャップ液晶セルを用いるのは特に有効である。マルチギャップ液晶セルの好ましい例は、短波長の画素領域ほど、セル厚が小さい液晶セルであり、より具体的には、RGB画素の液晶セルの例では、R画素、G画素及びB画素の順に、それに対応するセル厚が大きくなっている液晶セルである。液晶セルギャップは、例えばカラーフィルタ等、基板表面に形成される層の厚みに差をもたせることで形成できる。RGBカラーフィルタを有する液晶セルでは、B層、G層及びR層の順に厚みを薄くすることで、上記マルチギャップ液晶セルの好ましい例になる。
本発明の液晶表示装置は、背面側偏光板(例えば図1では偏光板PL2)のさらに外側)に、バックライトユニットを備えていてもよい。バックライトとしては、発光面下に複数の光源が配置された直下型のバックライトユニットであって、前記発光面の法線方向となる正面方向と、前記法線方向から所定角度傾斜した斜め方向との発光スペクトルを個別に設定する発光スペクトル設定手段を備えているバックライトユニットが好ましい。かかるバックライトユニットを用いると、正面方向と斜め方向の発光スペクトルが発光スペクトル設定手段によって個別に設定可能となり、指向性と発光強度がRGB色ごとに個別制御され、正面方向と斜め方向で色度(スペクトル)の調整が可能となり、液晶表示装置の階調特性をより改善することができる。
本発明に利用可能なバックライトユニットの一例は、図2に示す、赤色LED31R、緑色LED31G、青色LED31Bを印刷配線基板上のXY方向に互い違いに配置した光源部33を備えるバックライトである。光源部33の光出射側には拡散板,拡散シート、プリズムシートが設けられている。したがって、バックライトユニットでは、光源部33に備えられた赤色LED31R、緑色LED31G、青色LED31Bから、それぞれ、赤色光、緑色光、青色光が出射され、各LED31から出射された赤色光、緑色光、青色光は、拡散板,拡散シートが設けられている方向に進行しながら自然に混色されて白色光となり液晶パネルを照明する。
バックライトユニットは、表示面の法線方向となる正面方向と、法線方向から所定角度傾斜した斜め方向との発光スペクトルを個別に設定する発光スペクトル設定手段を備える。すなわち、正面方向と斜め方向の発光スペクトルが制御部と発光輝度設定部によって個別に設定可能となり、指向性と発光強度がRGB色ごとに個別制御され、正面方向と斜め方向で色度(スペクトル)の調整が可能となっている。この例では、制御部と発光輝度設定部とが発光スペクトル設定手段を構成している。
バックライトユニットでは、複数の光源が、発光色の異なる複数のLED光源からなり、正面方向を出射光光軸とする第1の光源と、斜め方向を出射光光軸とする第2の光源とを発光色毎にそれぞれ備えている。そして、発光スペクトル設定手段は、各第2の光源に対する発光強度を発光色毎に変更可能としている。すなわち、正面方向に向いたLED光源に対して、斜め方向に向いたLED光源の発光強度が発光色毎に調整され、正面方向と斜め方向との色度(スペクトル)が相対的に調整可能となっている。
第1の光源と第2の光源とが一体となった多方向照射ユニットは、図2に示すように、各発光色ごとに例えば格子状に配置される。個々の多方向照射ユニット61によって正面方向57と斜め方向59での色度(スペクトル)を調整可能にしつつ、発光面全面では均等な光量分布が実現できる構成とされている。多方向照射ユニット61の配置は、この他、ランダム配置や千鳥配置であってもよい。ランダム配置の場合は、周期的な輝度ムラが軽減され、千鳥配置では同一照度下で単位面積当たりの配置個数を削減できる。また、多方向照射ユニット61は、同心円状に配列された構成としてもよい。さらには、後述するように、ユニットを分解して各色のLED光源を分散配置した構成であってもよい。
この多方向照射ユニットの具体的な一構成例を説明する。
図3は図2に示した多方向照射ユニットの一例としての斜視図である。なお、図3中、x方向が表示面上下方向に相当し、y方向が表示面左右方向に相当するとする。
第1の光源63は、出射光光軸(主軸)を正面方向57に向けて配置された砲弾型LED素子からなる。また、第2の光源65A,65Bは、正面方向57に平行な面(zx平面)内で、正面方向57から所定の傾斜角度θの方向にそれぞれ出射光光軸(主軸)が設定された2つの砲弾型LED素子からなる。砲弾型のLED素子は、素子先端部がレンズとなっており、砲弾型の先端方向が高輝度となる指向性を有して発光する。このため、光出射する真正面から見ると非常に明るい光を放ち、その反面、横方向にはほとんど光を飛ばさない。
本実施の形態では、第1の光源63と第2の光源65のLED素子が、一体にされた多方向照射ユニット61が、発光面下の複数箇所に分散配置されている。この多方向照射ユニット61では、正面方向57の出射光光軸を挟んで、2つの第2の光源65A,65Bを所定の傾斜角度θに傾けて同一面内に配置でき、正面方向57を中心に両端側で対称となる色配分の調整が可能となる。これにより、例えばzx平面内で、正面方向57を中心とした任意の傾斜角度θの方向の色度(スペクトル)が対称に制御可能となり、色バランスの調整が容易となっている。
また、一体となった多方向照射ユニット61によれば、正面方向57を向く第1の光源63、及び斜め方向59を向く一対の第2の光源65,65の電源供給が纏められ、配線構造がコンパクトに簡単となる。
多方向照射ユニット61における第2の光源65A,65Bの傾斜面方位は一方向に揃っていることが好ましい。すなわち、角度θが開く方向が全ユニットで同じ方向に揃っているとよい。また、傾斜角度θは全位置で必ずしも一定でなくてもよく、所定の角度範囲で分散させると輝度分布が平均化されてムラが生じにくくなる。
第2の光源65A,65Bを傾斜させる構成としては、図示のように、傾斜面を有するベース67に光源を取り付ける構成があるが、これ以外にも、プリント基板を傾斜配置させたものであってもよく、プリント基板の銅膜の厚みをエッチング処理により傾斜させたり、基板自体の形状を変えてしまうことでもよい。
斜め方向59に向いた第2の光源65A,65Bは、2つの光源であることを基本構成としているが、光源を一つとしてもよい。この場合、視角が制限されるが、液晶表示装置の表示画面においては、よく観察される方向は概ね決まっており、画面中央側に光軸を傾けたものがあるだけでも、画面中央側で観察者の頭を左右に振らしたときの輝度変化の低減効果は得られる。なお、画面中央から大きく外れて左右側から見るような、通常の状態から大きく外れた場合には、2方向に向いた光源が必要とされる。
ここで、多方向照射ユニットの発光度分布を説明する。
図4は図3に示した多方向照射ユニットによる一つの色に対する照射状況を(a)発光輝度分布を(b)に表した説明図である。
多方向照射ユニット61では、第1の光源63に対して第2の光源65A,65Bがそれぞれ所定角度θだけ傾斜され、図4(a)に示すように正面方向57(すなわち、Z軸と平行な方向)では第1の光源63に対し、通常の画像表示に必要な輝度で発光させる。また、第2の光源65A,65Bは、第1の光源63の輝度の約半分程度の輝度で発光させる。この場合、単色における多方向照射ユニット61における合成された発光輝度分布は図4(b)の実線に示すようになる。つまり、極角0°で最大輝度となり、極角が増加または減少するに従って輝度も減少する輝度分布となる。
VAモード液晶パネルでは、黒表示時において、画面斜め上方向・斜め下方向の極角傾斜で青色味が観察される。この場合、斜め方向に出射されるRGB各色の光量を調整することで色味解消が可能となる。
具体的には、各色の多方向照射ユニット61において、発光輝度設定部により、第2の光源65A(左側)点灯、65B(右側)点灯とし、青色(B)の発光輝度を、赤色Rおよび緑色Gの発光輝度より低く(例えば略80%程度)設定する。これにより、x方向、即ち、画面斜め上方向・斜め下方向の青味付きを軽減することができる。一方、第1の光源63(中央)点灯では、各色RGBの発光輝度を全て100%とする。
発光輝度比は、光源部への印加電流値(定電圧駆動)、印加電圧値(低電流駆動)の制御等、任意のパラメータによって調整することができる。
バックライトユニット全体としては、第1の光源63により各色が100%点灯されて白色を照射する一方、第2の光源65A及び65Bによる画面上下斜め方向の成分は、RG色よりもB色の輝度が面積AB分低く、その結果、画面上下方向の極角傾斜の光は、青色の発光強度が抑えられた照射光となる。つまり、VAモード液晶パネルでは、画面斜め上方向・斜め下方向の極角傾斜の青味付きがあるが、同方向の青光の発光強度を抑えることで、この色味変化を軽減する。
本実施の形態による液晶表示装置は、バックライトユニットと、液晶パネルと、制御手段とに主要な構成が大別されてなる。バックライトユニットは、発光面下に複数の光源が配置され、光の三原色である赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ発光するLEDを光源に使用することで、各LEDから出射された赤色光と緑色光と青色光とを混色し、白色光を生成する。本態様では、液晶パネルは、画面上下斜め方向(極角θ)における透過率がRG色よりもB色が高くなる光透過特性を有する。このため、バックライトユニットの光源部では、当該斜め方向ではB色成分を弱めた照射光を出射する。これにより、当該斜め方向からの青色味が解消された白色光が観測されることとなる。
このように、本実施形態の液晶表示装置では、液晶パネルの光学補償フィルムに起因した固有の光透過特性が、例えば、斜め方向で不足する色成分に対し、斜め方向の発光スペクトルがRGB色毎に個別制御されることで、色の配分が調整される。これにより、表示画像の色味の視角依存性が改善され、その結果、液晶パネルの視角特性により色味が生じる場合であっても、この色味変化をキャンセルして高品位な画像表示が可能となる。
ここで、上記のバックライトユニットに代えて、各光源を光出射方向別に分散配置した変形例を説明する。
図5は第1の光源と第2の光源のLED素子が個別に配置された変形例の斜視図である。なお、図中、x方向が画面上下方向に相当し、y方向が画面左右方向に相当するものとする。
第1の光源63、第2の光源65A,65Bは、上記した一体の多方向照射ユニット61に限らず、個別に配設することもできる。この構成によれば、各光源が細かく分散配置されるため、個々の光源間距離が短くなり、より均一な照明光を得ることができる。
以上説明したバックライトユニットの構成は、いずれも第2の光源65A,65Bが正面方向から所定の傾斜角度θの開き角を有して配置されている。
図6にVA型液晶に用いられる斜め方向の光軸を表す説明図を示した。なお、図中、x方向が画面上下方向に相当し、y方向が画面左右方向に相当するものとする。
VA型の液晶パネルの態様、図6に示すように、法線方向Nに対して、画面上下方向において極角45°傾斜した方向に対して色味変化が生じやすいことが分かっている。そのため、前述の第2の光源65A,65Bの傾斜角度θを45°(あるいは角度範囲を持たせて40°〜50°)に設定することにより、VAモードの液晶パネルの光学補償フィルムに起因する表示画面の色味の視角依存性を効率よく改善することができる。
つまり、多方向照射ユニットを、第2の光源65A,65Bが、正面方向57(法線方向N)に平行な面71内で、正面方向57を中心とする傾斜角度θが互いに略等しい方向P1,P2にそれぞれ出射光光軸が設定された少なくとも2つのLED光源を含むように構成すればよい。これにより、VAモード液晶の光学補償フィルムに起因する特有の黒表示時の際の画面斜め上方向・斜め下方向両端側に青色味がかる現象を解消することができる。
次に、斜め方向への光出射方向を増設した変形例を説明する。
図7はLED素子を直交方向に配置した変形例の斜視図である。
前述の図3に示す多方向照射ユニットの構成例では、第1の光源63に対し、第2の光源65A,65Bを正面方向57に平行な一つの面71(図6参照)内で傾斜させて設けたが、図7に示す多方向照射ユニット61Aは、この他に、直交する2平面の交差線を光軸73とした第1の光源63と、この第1の光源63を中心に、それぞれの直交平面に、一対の第2の光源65A,65B、および65C,65Dを傾斜角θで傾斜させて、合計5つのLED素子を一体に備えたものとしている。この多方向照射ユニット61Aをバックライトユニット200に適用することで、表示画面の水平方向の視角差に対する色味変化の他に、垂直方向の視角差に対する色味変化を改善することができ、より高品位な画像表示が可能となる。なお、65A〜65Cは、画面左右方向の方位角を0°とすると、それぞれ、方位角45°、135°、225°及び315°の方向に配置するのが好ましい。
ここで、LED素子の種類について説明する。
上記例では砲弾型のLED素子を用いた例を示していたが、本発明はこれに限らず、他の種類のLED素子であっても適用が可能である。LED素子としては、砲弾型の他、レンズ部が小さい帽子型、レンズ先端部分をカットした凹型等のリードが付いたタイプ、高輝度が得られるチップ型のLED素子等の種類がある。いずれのタイプでも本発明のLED光源として用いることができる。
また、斜め方向に光出射するLED素子は、2つのLED素子を使用する以外にも、図8の斜視図に示すように、一つのLED素子の光出射側に二方向へ光を分配するプリズム75を載せた構成としてもよい。この場合には、LED素子の数を低減できるとともに、光出射方向の設定がプリズムを配置するだけで済み、組み立て工程が簡略化できる。なお、図示例ではLED素子をチップ型LED素子としている。
図9は前記バックライトユニットを備えたVAモード液晶パネルの極角に対する光透過特性の関係を表したグラフ、図10はVAモード液晶に用いられる多方向照射ユニットの光軸を表す斜視図である。
VAモードの液晶パネルの場合、図9に示すように、光学補償フィルムに起因して、極角に対して各色RGBでそれぞれ異なる透過特性を有する。このため、VA型の液晶パネルに用いる多方向照射ユニット61Bは、第2の光源が、図10に示すように、正面方向57に平行な第1の面71内で、正面方向57を中心とする傾斜角度θが互いに略等しい方向にそれぞれ設定された2方向を、第1の面71を中心として第1の面71と直交する方向に互いに略等しい角度φで傾斜させることで得られる合計4方向を出射光光軸とする。
つまり、第2の光源が、正面方向57(法線方向N)に平行な面71を挟み角度φで傾斜したそれぞれの傾斜面77,79内で、傾斜角度θが互いに略等しい方向にそれぞれ出射光光軸が設定された少なくとも4つの方向(P1-1,P1-2,P2-1,P2-2)を光出射方向とすればよい。これにより、VAモード液晶パネルの場合にみられる黒表示時の斜め方向に青味がかる現象をなくすことができる。
上記の斜め4方向と正面方向との合計5方向へ光出射する多方向照射ユニットの具体的な構成例を図11に示した。
VA型の液晶パネルに用いる多方向照射ユニット61Bは、円板状ベース67Aの頂面81に第1の光源63を配設し、正面方向57から同一平面内で角度φ傾斜した2つの仮想線62から、角度φの傾斜方向とは直交する方向に、傾斜角度θで互いに略等しい方向にそれぞれ出射光光軸が設定された合計4つの第2の光源65E,65F,65G,65Hを備えることで構成される。なお、65E〜65Hは、画面左右方向の方位角を0°とすると、それぞれ、方位角45°、135°、225°及び315°の方向に配置するのが好ましい。
次に、バックライトユニットの制御方法について説明する。
表示画面の表示コンテンツとして、画面の一部に白色の明るい部分と、木の下の陰などの暗い部分がある場合、明るい部分と暗い部分に対して、それぞれ異なるバックライト輝度になるように制御する。つまり、VAモード液晶パネルの場合、黒表示時には、画面斜め上方向・斜め下方向の極角傾斜で青味が生じることがあるので、赤色や緑色を強くして照明することで青味がキャンセルされる。このような特性は白・黒表示で制御することも可能であるが、最も実用的には、中間調でも、このような特性があるため、輝度に応じて補正するようにバックライトユニットを制御する。
また、バックライトユニットは、発光面を複数のブロックに分割して、各ブロックに対してそれぞれ発光制御することであってもよい。
図12に発光面をブロックごとに発光制御する構成図を示した。
このバックライトユニット200は、輝度が画素毎に(又はブロックごとに)変更されることで、より細かな制御が可能となる。すなわち、バックライトユニット200の発光面47は、複数のブロック83に分割され、発光スペクトル設定手段である発光輝度設定部が、そのブロック83それぞれに含まれる第1の光源63および第2の光源65をブロック83毎に独立して発光強度を設定する。所定数単位のブロック83を統括駆動する垂直駆動制御部V1〜V3、水平駆動制御部H1〜H4をバックライトブロック駆動部85によって駆動制御して行う。このような構成とすることで、発光面47の各場所に応じて発光スペクトル特性を異ならせることが可能となる。これにより、発光面内の色付の顕著な場所を選択的に強く補正することが可能となる。
このように、ブロック83単位での発光スペクトルの制御を可能したバックライトユニット200は、色味が発光面47の場所毎に異なるときに、これに応じてブロック単位で色味の制御が可能となり、画面全体を均等に処理する場合と比較して、きめ細かな制御が可能となり、表示画質を向上させることができる。また、映像を表示する場合に、時系列的に変化する画像の色、輝度等の情報に応じて、バックライトユニット200の各ブロックを同期させつつそれぞれ適正に制御することができる。
次に、液晶表示パネルの光学補償フィルムにより色味変化を補正する構成を説明する。
上記の実施形態では、正面方向と、斜め方向との発光スペクトルを個別に設定する発光スペクトル設定手段として、多方向照射ユニット及び発光輝度設定部を備えた構成例を説明したが、発光スペクトル設定手段としては、この他、液晶表示パネルの表示面側に配設される光学補償フィルム自体により設定することができ、また併用することもできる。この場合の光学補償フィルムは、波長依存性を有して発光面(画面)位置に応じて異なる透過率に設定されている。つまり、RGB色を含む略1画素に対応する複数の領域を画成し、個々の領域における透過率を、例えばVAモード液晶パネルの場合、表示画面の中央部ではRGB各色の透過率を略同等とし、表示画面の上下部ではB色の透過率を低く設定する。これによっても、指向性と発光強度をRGB色ごとに個別制御し、正面方向と斜め方向で色度(スペクトル)を異ならせ、表示画面の色味変化の視角依存性を改善することができる。
次に、温湿度変化による色味変化の補正について説明する。
一般に、液晶表示装置における光学補償フィルムは、温湿度が変化すると、フィルム自身の膨張・収縮や偏光板・粘着剤などからの応力の変化によって、その位相差も変化し、その結果表示される色味にも変化が生じる。
そこで、液晶パネルに温湿度センサーを設置し、その温湿度センサーが検知する温度、湿度、およびその両方の値によって、LEDのBGR発光強度比を変化させられるようにすることで、発生した色味変化を補正することができる。
なお、上記実施の形態では、第1の光源、第2の光源としてLED素子のみを用いた構成を説明したが、本発明に係るバックライトユニットは、LED素子に加え、蛍光灯を組み入れたハイブリッド構成としてもよい。
また、上記実施の形態では、黒、白表示の場合の調整例としての説明であったが、本発明に係るバックライトユニットは、中間調で異なる特性に対しても調整が可能であり、上記同様の効果を奏するものである。
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す構成、材料などは本発明の趣旨から逸脱しない限り適宜変更することができる。従って、本発明の範囲は以下の具体例に制限されるものではない。
液晶表示装置の光学シミュレーションには、LCDMaster(Shintech社製)を使用した。
シミュレーションの対象モデルとしては、8ドメインの透過型VAモード液晶セルを想定する。構成は、液晶セルの両側に同一の位相差フィルムを1枚ずつ配置する"対称2枚型"であるとする。対向する2枚の位相差フィルムの遅相軸の角度は互いに約90°をなしているとする。偏光子は、製品で使用されている一般的なものの分光特性であるとする。液晶セル内部の液晶層の厚さは3.65μmであるとする。
表示性能の評価指標は、「黒輝度」、「階調性γ(全階調平均)」、及び「黒色味(D65からの距離Δu'v')」である。
また、以下の4つのファクターを組み合わせ、上記項目の改善効果を調べた。
1.LCセル(マルチギャップMGの採用の有無)
2.フィルムRe(550)・Rth(550)
3.フィルム波長分散
フラット: ΔRe630-450=ΔRth630-450=0nm
逆波長分散: ΔRe630-450=+4.2nm、ΔRth630-450=+8.4nm
順波長分散: ΔRe630-450=−4.2nm、ΔRth630-450=−8.4nm
4.LEDバックライトの採用の有無
このLEDバックライトは、画面上下方向の極角傾斜60°の方向の青色光の強度が緑光及び赤色光の5〜500%の範囲内で調整されたLEDバックライトである。
結果を下記表に示す。なお、表中、判定記号の意味は、以下の通りである。
◎: 標準よりかなり良い
○: 標準より良い
△: 標準と同等
×: 標準より悪い
Figure 0005285318
本発明のVAモード液晶表示装置の一例の概念構成図である。 本発明に使用可能なバックライトユニットの光源部の概念的な斜視図である。 図2に示した多方向照射ユニットの一例としての斜視図である。 図3に示した多方向照射ユニットによる一つの色に対する照射状況を(a)発光輝度分布を(b)に表した説明図である。 第1の光源と第2の光源のLED素子が個別に配置された変形例の斜視図である。 液晶表示装置の表示面に対する斜め方向の光軸を表す説明図である。 LED素子を直交方向に配置した変形例の斜視図である。 斜め方向のLED素子の光出射側にプリズムを載せた構成を示す斜視図である。 VAモード液晶パネルの極角に対する光透過特性の関係を表したグラフである。 VAモード液晶パネルに用いられる多方向照射ユニットの光軸を表す説明図である。 斜め4方向と正面方向との合計5方向へ光出射する多方向照射ユニットの具体的な構成例を示す斜視図である。 発光面をブロックごとに発光制御する構成図である。
符号の説明
10a、10b 液晶セル基板
12 液晶層(液晶分子)
14a、14b 偏光子
16a、16b 偏光子の透過軸
18a、18b 光学補償フィルム(本発明)
20a、20b 光学補償フィルムの面内遅相軸
47 発光面
53 発光輝度設定部(発光スペクトル設定手段)
57 正面方向
59 斜め方向
61 多方向照射ユニット
63 第1の光源
65 第2の光源
71 正面方向に平行な面
83 ブロック
200 バックライトユニット

Claims (9)

  1. 一対の偏光子、該一対の偏光子の間に配置された液晶セル、及び該一対の偏光子のそれぞれと前記液晶セルとの間に配置された光学補償フィルムを有し、
    前記光学補償フィルムが、波長550nmにおける面内レターデーションRe(550)が20〜100nm、及び波長550nmにおける厚み方向レターデーションRth(550)が60〜120nmであり、
    前記一対の偏光子の一方の外側に、バックライトユニットを備え、該バックライトユニットが、発光面下に複数の光源が配置された直下型のバックライトユニットであって、前記発光面の法線方向となる正面方向と、前記法線方向から所定角度傾斜した斜め方向との発光スペクトルを個別に設定する発光スペクトル設定手段を備えており、前記バックライトユニットの前記複数の光源が、発光色の異なる複数のLED光源からなり、前記正面方向を出射光光軸とする第1の光源と、前記斜め方向を出射光光軸とする第2の光源とを前記発光色毎にそれぞれ備え、前記発光スペクトル設定手段が、前記第2の光源に対する発光強度を発光色毎に変更することを特徴とするVAモード液晶表示装置。
  2. 前記液晶セルが、マルチドメインの液晶セルであることを特徴とする請求項1に記載のVAモード液晶表示装置。
  3. 前記液晶セルが、一画素が8ドメインからなるマルチドメインの液晶セルであることを特徴とする請求項1に記載のVAモード液晶表示装置。
  4. 前記液晶セルが、マルチギャップ構造の液晶セルであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のVAモード液晶表示装置。
  5. 前記バックライトユニットの前記第2の光源が、前記正面方向に平行な面内で、前記正面方向から所定の傾斜角度の方向にそれぞれ出射光光軸が設定されていることを特徴とする請求項に記載のVAモード液晶表示装置。
  6. 前記バックライトユニットの前記第1の光源と前記第2の光源のLED素子が一体にされた多方向照射ユニットが、前記発光面下の複数箇所に分散配置されていることを特徴とする請求項又はに記載のVAモード液晶表示装置。
  7. 各発光色の前記多方向照射ユニットが、それぞれ格子状に配置されていることを特徴とする請求項に記載のVAモード液晶表示装置。
  8. 前記発光面が複数のブロックからなり、前記発光スペクトル設定手段が、前記複数のブロックのそれぞれに含まれる前記第1の光源および前記第2の光源をブロック毎に独立して発光強度を設定することを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のVAモード液晶表示装置。
  9. 波長630nmにおける面内レターデーションRe(630)と波長450nmにおける面内レターデーションRe(450)との差ΔRe630-450が−10〜10nm、及び波長630nmにおける厚み方向レターデーションRth(630)と波長450nmにおける厚み方向レターデーションRth(450)との差ΔRth630-450が−12〜12nmであることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のVAモード液晶表示装置。
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