JP5827822B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置における表示技術の改良に関する。

液晶表示装置は、例えば民生用や車載用の各種電子機器における情報表示部として広く利用されている（例えば特許文献１参照）。一般的な液晶表示装置は、数μｍ程度の間隙を設けて対向配置させた２枚の基板間に液晶材料からなる液晶層を配置して構成されている。特許文献１に開示された先行例の液晶表示装置は、対向配置された基板間に設けられた液晶層の配向状態を電圧によって制御するものであり、電圧印加時（点灯時）に有効表示部が明表示（白表示）となりそれ以外の非表示部（背景部分）は暗表示（黒表示）となるネガ表示モード（ノーマリーブラックモード）に構成されている。この液晶表示装置は、上側基板と上側偏光板の間または下側基板と下側偏光板の間の少なくとも一方に視角補償板を配置することにより、液晶表示装置を斜め方向から見た場合に有効表示部の明暗状態が反転して視認されることを回避している。

ところで、画像表現の多様化による商品力の向上等の観点からは、上記のような液晶表示装置において視角補償による表示反転の防止効果を維持して全体の表示品質を保ちつつ、特定の表示パターンを斜め方向から見た場合にのみ視認できて正面から見た場合には視認できないという表示状態を実現したいという要望もある。しかしながら、そのような表示状態を実現するには液晶表示装置の電極構造、電圧印加方法（駆動方法）、視角補償方法など様々な観点において工夫が必要となり、液晶表示装置の構成が非常に複雑になると考えられる。

一方で、上記の要望に対しては、液晶表示装置の基板外側に印刷物などを配置しておき、斜め方向から見た場合にこの印刷物などを透かして視認させるという方法も考えられる。しかしながら、この方法では、特にバックライトを用いた透過型の液晶表示装置においては正面観察時に明瞭な明暗表示が得られる有効表示部と混在させつつ、斜め方向から特定の表示パターンを明瞭に視認させることは困難であると考えられる。

特開２００５−２３４２５４号公報

本発明に係る具体的態様は、ネガ表示モードの液晶表示装置において、視角補償による効果を維持しながら任意の表示パターンを斜め方向から見た場合に良好な状態で視認させることを可能とする技術を提供することを目的の１つとする。

本発明に係る一態様の液晶表示装置は、（ａ）対向配置された第１基板及び第２基板と、（ｂ）前記第１基板と前記第２基板の間に設けられた複数のスペーサーと、（ｃ）前記第１基板と前記第２基板の間に設けられた液晶層と、（ｄ）ネガ表示型となるように各々の光学軸が相対的に設定されており、前記第１基板及び前記第２基板を挟んで対向配置された第１偏光板及び第２偏光板と、（ｅ）前記第１基板と前記第１偏光板の間又は前記第２基板と前記第２偏光板の間の少なくとも一方に配置された視角補償板と、（ｆ）光学的に等方性の柱状体からなり所定の表示パターンに対応した形状を有し、前記第１基板と前記第２基板の少なくとも一方に接して前記液晶層内に設けられたパターン部を備え、（ｇ）前記パターン部は、その厚さが前記液晶層の層厚の１／２以上であり、かつ平面視における線幅が前記複数のスペーサーの各々の平面視における幅の１０倍以上であることを特徴とする。ここで「ネガ表示型」とは、液晶層に対して電圧無印加時に相対的に暗表示となり電圧印加時に明表示となるように偏光板と液晶層の配向状態との関係が規定されていることをいい、典型例としてノーマリーブラック型が挙げられる。

上記の構成によれば、液晶層内に光学的に等方性を有するパターン部を設けることにより、その領域が光学的に等方性を有する状態となる。このため、パターン部を設けた領域では、液晶層による屈折率分布を相殺するために設けられる視角補償板の屈折率分布による作用が顕著に表れるようになり、結果としてパターン部では斜め方向に光抜けが生じる。パターン部の形状を所望の表示パターンにしておくことにより、光抜けを利用して斜め方向から見た場合に良好な状態で視認可能な表示パターンを実現でき、かつパターン部以外の領域では視角補償板による視角補償効果が維持される。

上記の液晶表示装置においては、例えば液晶層の配向状態を垂直配向状態とすることができる。この場合、第１偏光板と第２偏光板は、各々の光学軸を略直交に配置される。また、視角補償板としては、負の一軸光学異方性又は負の二軸光学異方性を有するものを用いることが好ましい。

それにより、垂直配向型かつノーマリーブラック型の液晶表示装置において、斜め方向から良好に視認可能な表示パターンを実現できる。なお、他の配向状態を採用することも可能である。その場合、液晶層の配向状態に応じて第１偏光板と第２偏光板の各光学軸を適宜に略直交、略平行などに設定すればよい（具体例は後述する）。

上記の液晶表示装置においては、パターン部の前記柱状体が着色されていてもよい。複数のパターン部を設け、それぞれにおいて色を変えることにより多色表示を行ってもよい。

それにより、パターン部によって生じさせる表示パターンの表示色を多彩に設定することができる。

一実施形態の液晶表示装置の構造を示す模式的な断面図である。 液晶表示装置の表示面を正面から見た場合の模式的な平面図である。 パターン部の一例を示す模式的な斜視図である。 パターン部によって生じる光学的効果の原理を説明するための図である。 実施例の液晶表示装置の観察像を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、一実施形態の液晶表示装置の構造を示す模式的な断面図である。また、図２はこの液晶表示装置の表示面を正面から見た場合の模式的な平面図である。図２に示すように本実施形態の液晶表示装置は、マトリクス状に配置された複数の画素を有するドットマトリクス表示部（図中左上側）と、予め形成された図柄パターンの画素を有するセグメント表示部（図中右側）を備えており、電圧印加時（点灯時）に有効表示部が明表示（白表示）となりそれ以外の非表示部（背景部分）は暗表示（黒表示）となるネガ表示型（ノーマリーブラック型）に構成されている。

図１（Ａ）に示す本実施形態の液晶表示装置は、対向配置された第１基板（下側基板）１１および第２基板（上側基板）１２と、両基板の間に配置された液晶層１７を主に備える。第１基板１１の外側には第１偏光板２１が配置され、第２基板１２の外側には第２偏光板２２が配置されている。第１基板１１と第１偏光板２１の間には第１視角補償板２３が配置され、第２基板１２と第２偏光板２２の間には第２視角補償板２４が配置されている。液晶層１７の周囲はシール材２０によって封止されている。以下、さらに詳細に液晶表示装置の構造を説明する。

第１基板１１および第２基板１２は、それぞれ、例えばガラス基板、プラスチック基板等の透明基板である。第１基板１１と第２基板１２との相互間には、スペーサー（粒状体）１８が分散して配置されている。これらのスペーサー１８により、第１基板１１と第２基板１２との間隙が所定値（例えば数μｍ程度）に保たれる。

第１電極１３は、第１基板１１の一面上に設けられている。また、第２電極１４は、第２基板１２の一面上に設けられている。第１電極１３および第２電極１４は、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜を適宜パターニングすることによって構成されている。これらの第１電極１３と第２電極１４とが平面視において重なる領域のそれぞれが液晶表示装置における有効表示領域３０、３１となり、それ以外の領域が非表示領域３２となる。

第１配向膜１５は、第１基板１１の一面側に第１電極１３を覆うようにして設けられている。同様に、第２配向膜１６は、第２基板１２の一面側に第２電極１４を覆うようにして設けられている。各配向膜１５、１６にはラビング処理等の配向処理が施されている。本実施形態においては、第１配向膜１５および第２配向膜１６として液晶層１７の初期状態（電圧無印加時）における配向状態を垂直配向状態に規制するもの（垂直配向膜）が用いられている。より詳細には、各配向膜１５、１６としては、液晶層１７の液晶分子に対して９０°に極めて近い角度（例えば８９．９°）のプレティルト角を付与し得るものが用いられる。図２において、第１配向膜１５への配向処理方向を矢印３３によって示し、第２配向膜１６への配向処理方向を矢印３４によって示している。

液晶層１７は、第１基板１１と第２基板１２の相互間に設けられている。本実施形態においては、誘電率異方性Δεが負（Δε＜０）の液晶材料（ネマティック液晶材料）を用いて液晶層１７が構成されている。

パターン部１９は、光学的に等方性を有する透明な柱状体からなり、第１基板１１と第２基板１２の少なくとも一方に接して液晶層１７の内部に設けられている。本実施形態では、第１基板１１と第２基板１２の双方に接してパターン部１９が設けられている。このパターン部１９は、例えば非表示領域３２に配置されており、液晶表示装置の表示面に対する法線方向から観察した場合に文字や図柄などの所望形状に視認されるように形成されている。図３は、パターン部１９の一例を模式的な斜視図によって示す。パターン部１９は、第１基板１１または第２基板１２の間であって、液晶表示装置の表示面において表示パターンを生じさせたい位置に対応して設けられる。液晶層厚を保持するためのスペーサー１８とは機能が異なるので、スペーサー１８のように第１基板１１と第２基板１２の間で均一性をもって配置する必要はなく、局所的に配置することができる。

なお、図１（Ｂ）に示す構成例のように、パターン部１９の一部は有効表示領域３０（あるいは３１）の周縁、換言すれば特定の電極の周縁に配置されていてもよい。また、この図１（Ｂ）に示す構成例では、第１基板１１と第２基板１２の間隙を保つためのスペーサー１８ａが示されている。このようなスペーサー１８ａは、パターン部１９の形成時に併せて形成することが可能である。さらに、図示を省略するが、図１（Ａ）に示したような球状のスペーサー１８と図１（Ｂ）に示すような柱状のスペーサー１８ａを混在させてもよい。

第１偏光板２１および第２偏光板２２は、各々の透過軸（光学軸）が互いに略直交するように配置されている（クロスニコル配置）。また、第１偏光板２１および第２偏光板２２は、各々の透過軸が第１基板１１に施された配向処理の方向および第２基板１２に施された配向処理の方向のいずれとも略４５°の角度をなすように配置されている。これにより、各偏光板２１、２２の透過軸は、各配向処理の方向によって定義される液晶層１７の略中央における液晶層の配向方向に対して略４５°の角度をなすことになる。

第１視角補償板２３は、第１基板１１と第１偏光板２１の間に配置されている。同様に、第２視角補償板２４は、第２基板１２と第２偏光板２２の間に配置されている。第１視角補償板２３と第２視角補償板２４は、それぞれ、負の一軸光学異方性または負の二軸光学異方性を有する光学素子である。なお、原理上、第１視角補償板２３と第２視角補償板２４は少なくとも一方が設けられていればよく、他方を省略することも可能である。

本実施形態の液晶表示装置は以上のような構成を有しており、次に、図４を参照しながらパターン部１９によって生じる光学的効果の原理を説明する。

まず、視角補償板を用いることによる視角補償の原理について説明する。図４（Ａ）において模式的な斜視図で示すように、第１基板１１と第２基板１２の間に液晶分子が各基板に対して略垂直に配向する垂直配向型の液晶層１７が配置された液晶セルにおける屈折率分布、すなわち屈折率楕円体は、基板面内方向の屈折率をＮｘ、Ｎｙとし、液晶層厚方向の屈折率をＮｚとするとＮｘ＝Ｎｙ＜Ｎｚの関係となる。すなわち、図４（Ｂ）に示すように屈折率楕円体は基板と垂直な方向に対して屈折率の大きい葉巻のような形状を示す。一方、表側（図中上側）の第２偏光板２２および第２基板１２の間に配置された第２視角補償板２４は、液晶セルの屈折率分布を打ち消すような屈折率分布を有する。具体的には、第２視角補償板２４は、図４（Ｃ）に示すようにＮｘ＝Ｎｙ＞Ｎｚの屈折率分布を有するもの（例えば一軸光学フィルム）である。したがって、両者を合成することにより図４（Ｄ）に示すようにＮｘ＝Ｎｙ＝Ｎｚまたはこれに近似した屈折率分布が得られ、光学的には等方性またはこれに近似した状態を示すことになる。このため、液晶表示装置を正面から観察した場合と斜め方向から観察した場合とで屈折率分布は等しくなり、視角補償が実現される。

一方、パターン部１９を設けた領域においては、光学的に等方性を有するパターン部１９によって液晶層１７を置き換えた状態となるので、その領域の屈折率分布は第２視角補償板２４による屈折率分布に等しくなる。したがって、その領域においては上記したような視角補償が実現されない状態となるので、斜め方向からの観察時に光抜けを生じさせることができる。なお、原理上は必須でないために第１視角補償板２３については図４において図示および説明を省略していたが、第１視角補償板２３が存在しても同様な結果が得られる。さらに、各視角補償板として負の二軸光学異方性を有するものを用いても同様な結果が得られる。

ここで、第１基板１１と第２基板１２の間で等方的な屈折率分布にならなければ斜め方向からの観察時に光抜けが生じることから、パターン部１９は必ずしも第１基板１１と第２基板１２の双方に接触している必要はないが、斜め方向からの観察時に光抜けを利用した明表示をより明瞭な状態とするには、パターン部１９の厚さ（セル厚方向における高さ）は液晶層１７の層厚の１／２以上であることが好ましい。

また、パターン部１９の平面視における線幅Ｌ（図３参照）は、このパターン部１９により生じさせる表示パターンを利用者により容易に視認可能とするためには、スペーサー１８の平面視における幅（球状の場合には粒径）よりも十分に大きく、例えば１０倍以上とすることが望ましい。ここで、一般にスペーサー１８の粒径は液晶層厚との関係から決定され、本実施形態では数μｍ程度である。このようなスペーサー１８は、平面視における幅も粒径と等しく、パターン部１９の線幅Ｌに比べて十分に小さいため一般に肉眼では視認されない。これに対して、パターン部１９の線幅Ｌを数十μｍ程度かそれ以上に設定することにより、このパターン部１９によって生じさせる表示パターンが肉眼により明瞭に視認できる。

また、パターン部１９を形成する材料の屈折率と、このパターン部に接する基板の屈折率との関係については、パターン部の屈折率を大きくしたほうがより深い斜め方向から表示パターンを視認可能となる。さらに、パターン部１９と基板との屈折率差を適宜に変えることにより、表示パターンがより鮮鋭に見える方向を調整できる。すなわち、表示パターンに指向性を与えることができる。

（実施例）
次に、液晶表示装置の実施例を説明する。

片面が研磨処理され、その表面にＳｉＯ_２アンダーコートが施された後にＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜が成膜された一対のガラス基板のそれぞれに対して、フォトリソグラフィー工程およびエッチング工程を実施することにより、各ガラス基板のＩＴＯ膜を所望形状にパターニングした。これにより、第１電極を有する第１基板、第２電極を有する第２基板が得られた。なお、必要に応じて第１電極、第２電極のそれぞれの上面にＳｉＯ_２などによる絶縁層を設けてもよい。

次に、ＰＳ（ポリスチレン）樹脂を用いて第１基板上にパターン部を形成した。具体的には、まず第１基板の一面上にスピンコート法により液状の樹脂材料を塗布した。塗布条件はスピナーの回転数を１７５０ｒｐｍとし、３０秒間回転させた。次いで、１００℃で１２０秒間のプリベークを行い、さらに所望の文字や図柄に対応した遮光パターンを有する露光マスクを用いて紫外線を照射した（照射量２００ｍＪ）。次いで、現像液としてテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＨＡ）の有機アルカリ溶液（濃度１％）を用いて現像し、その後２２０℃で３０分間のポストベークを行った。このとき、本実施例ではスペーサーも同時に形成した（図１（Ｂ）のスペーサー１８ａ参照）。そうすることで、スペーサーとパターン部の高さがほぼ同じになるのでセル厚むらなどの不具合を抑制することができる。

次に、アルカリ溶液を用いて第１基板および第２基板を洗浄し、その後、第１基板と第２基板のそれぞれに垂直配向膜材料をフレキソ印刷法によって塗布し、クリーンオーブンを用いて１８０℃で３０分間の熱処理を施した。その後、綿製ラビング布を用いて第１基板と第２基板のそれぞれに対して基板面内の一方向にラビング処理を施した。

次に、第２基板の一面上に、粒径が約２μｍのロッド状ガラススペーサーを含有する熱硬化型シール材をディスペンサーによって所望のパターンに塗布した。その後、第１基板と第２基板を、各々の一面（電極面）が対向し、かつそれぞれの配向膜へ施したラビング方向がアンチパラレルになるようにして貼り合わせ、熱圧着にてシール材を硬化させて空セルを完成させた。

次に、空セルに真空注入法にて液晶材料を注入した。液晶材料としては、Δε＜０でΔｎが０．１５６６のものを用いた。液晶材料の注入後、セル厚がより均一になるように空セルをプレスして注入口を封止し、空セルを１２０℃にて１時間焼成した。

次に、第１基板に視角補償板と偏光板を貼り付け、第２基板にも偏光板と視角補償板を貼り付けた。各偏光板は、互いの透過軸が略直交し（クロスニコル配置）、かつそれぞれの透過軸がラビング処理により定義される液晶層の層厚方向の略中央における液晶分子の配向方位に対して略４５°の角度をなすように配置された。また、各基板の視角補償板と偏光板は、視角補償板の遅相軸と偏光板の透過軸が略平行になるように配置された。

最後に、液晶セルの電極取り出し端子にリードフレームを取り付けて液晶表示装置（液晶表示素子）を完成させた。なお、液晶層におけるプレティルト角は略８９．８°〜８９．９°に設定した。また、セル厚（液晶層厚）の実測値は約１．８μｍであり、液晶層のリタデーションは略２８０ｎｍであった。

図５は、実施例の液晶表示装置の観察像を示す図である。図５では、実施例の液晶表示装置の有効表示領域をすべて黒表示（暗表示）の状態としたうえで、表示面の法線方向を基準に約６０°の角度をなす斜め方向から観察した際の観察像が示されている。この実施例では、パターン部は、セグメント表示部における７セグメント部分や文字部分を縁取りするようにして形成されている。パターン部の形成に用いた露光マスクの線幅は約３０μｍであり、実際に得られたパターン部は、接触式段差計で測定したところ、断面形状はテーパー形状となり、上底の幅、下底の幅はそれぞれマスク線幅より広い４５μｍ、１２０μｍとなっていた。パターン部の高さは２．２μｍ程度であり、液晶表示装置のセル厚の実測値は約１．８μｍであった。観察時の駆動条件は、フレーム反転波形、１／４デューティ、１／３バイアス、印加電圧７．３８Ｖ、フレーム周波数１５０Ｈｚのオフ波形である。図５に示すように、７セグメント部分や文字部分の周縁のみが明瞭に光抜けし、それ以外の領域は黒表示となっていることが分かる。すなわち、液晶表示装置を斜め方向から観察した場合に、視角補償効果が保たれた状態で特定の表示パターンを良好な状態で視認可能となっていることがわかる。

（変形実施の態様等）
なお、本発明は上述した内容にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。

例えば、実施例の液晶表示装置ではパターン部の側面がテーパー形状である旨を説明していたが、パターン部の側面は基板面に対して垂直かそれに近い状態（非テーパー形状）であることがより望ましい（図１参照）。それにより、パターン部によって生じさせる表示パターンのエッジをより鮮鋭にすることができる。

また、上記の実施形態ならびに実施例ではパターン部が透明である旨を説明していたが、パターン部は着色されていてもよい。この場合には、パターン部の形成に用いる樹脂材料に着色剤としての染料または顔料を混入しておけばよい。それにより、パターン部によって生じさせる表示パターンを所望の発色状態にすることができる。

また、上記の実施形態ならびに実施例では垂直配向型の液晶表示装置を例示していたが、本発明は液晶セルと視角補償板を組み合わせることにより視角特性を改善可能なネガ表示型の液晶表示装置に広く適用することが可能である。例えば、ＴＮ（Twisted Nematic）型の液晶表示装置であれば、上下の各偏光板の透過軸を略平行な状態とすることによってノーマリーブラック型とし、かつ逆ねじれＴＮ補償板を視角補償板として組み合わせ、上記と同様なパターン部を設けておけばよい。また、ＩＰＳ（In-Plane Switching）型の液晶表示装置であれば、上下の各偏光板の透過軸を略直交させておくことによってノーマリーブラック型とし、かつ正の一軸光学異方性または正の二軸光学異方性を有する光学補償板を視角補償板として組み合わせ、上記と同様なパターン部を設けておけばよい。なお、いずれの場合においてもノーマリーブラック型はネガ表示型の一例に過ぎず、電圧無印加時において相対的に暗表示となり、電圧印加時に明表示となるように偏光板と液晶層の配向状態との関係が規定されている液晶表示装置であれば本発明を適用可能である。

１１：第１基板
１２：第２基板
１３：第１電極
１４：第２電極
１５：第１配向膜
１６：第２配向膜
１７：液晶層
１８、１８ａ：スペーサー
１９：パターン部
２０：シール材
２１：第１偏光板
２２：第２偏光板
２３：第１視角補償板
２４：第２視角補償板
３０、３１：有効表示領域
３２：非表示領域
３３、３４：配向処理方向

Claims (4)

1. 対向配置された第１基板及び第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板の間に設けられた複数のスペーサーと、
   前記第１基板と前記第２基板の間に設けられた液晶層と、
   ネガ表示状態を呈するように各々の光学軸が相対的に設定されており、前記第１基板及び前記第２基板を挟んで対向配置された第１偏光板及び第２偏光板と、
   前記第１基板と前記第１偏光板の間又は前記第２基板と前記第２偏光板の間の少なくとも一方に配置された視角補償板と、
   光学的に等方性の柱状体からなり所定の表示パターンに対応した形状を有し、前記第１基板と前記第２基板の少なくとも一方に接して前記液晶層内に設けられたパターン部、
   を含み、
   前記パターン部は、その厚さが前記液晶層の層厚の１／２以上であり、かつ平面視における線幅が前記複数のスペーサーの各々の平面視における幅の１０倍以上である、
   液晶表示装置。
2. 前記液晶層の配向状態が垂直配向状態であり、
   前記第１偏光板と前記第２偏光板は、各々の光学軸を略直交に配置されている、請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記視角補償板は、負の一軸光学異方性又は負の二軸光学異方性を有する、請求項２に記載の液晶表示装置。
4. 前記パターン部の前記柱状体が着色されている、請求項１〜３の何れか１項に記載の液晶表示装置。