JP5866068B2 - 光学応答を改善する方法及びそれを用いた液晶表示素子 - Google Patents
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Description
(1) 液晶層の厚みを下げる。
(2) 液晶材料の粘弾性を低減させる。
(3) 過電圧印加による中間階調応答を改善する(オーバードライブ方式という。)。
(4) リフレッシュレート増で動画フレーム間をつなぐ映像を補間する(倍速駆動という。)。
(5) 液晶セルを光学的補償位置に配置した2層パネルを特定の条件で駆動する(非特許文献1を参照。)。
〔1〕 互いに対向して配置された第1の基板及び第2の基板;
前記第1の基板及び前記第2の基板の間に挟持された液晶層;
前記第1の基板及び前記第2基板の間で前記液晶層の配向状態を制御する配向層;及び
前記液晶層の配向状態を駆動電圧の印加により発生する電界によって変化させる電極;
を有する液晶セル;並びに、
前記液晶セルの背面側及び前面側に配置されて、前記駆動電圧の印加時に前記液晶セルの背面側から前面側へと透過する光の透過光量が最大又は最小となるように、互いの透過軸の向きが設定された第1の偏光板及び第2の偏光板;
前記第1の偏光板及び前記第2の偏光板と前記液晶セルとの間のうち少なくとも一方の間に配置されて、その間を通過する光の光学補償を行う光学補償板;
を備える液晶表示素子において、
前記光学補償板の配置を省略した場合の前記駆動電圧がオン状態からオフ状態となるときの透過光量Ι1の時間tに対する微分係数を∂Ι1/∂tとし、前記光学補償板が配置された場合の前記駆動電圧がオン状態からオフ状態となるときの透過光量Ι2の時間tに対する微分係数を∂Ι2/∂tとしたときに、立下り(オフ)時の応答時間(τd)に関わる領域において、下記式(1):
|∂Ι2/∂t|>|∂Ι1/∂t| …(1)
の関係を満足するように、前記液晶層の位相差と前記光学補償板の位相差との光学設計を行うことにより、
高低関係がV1>V2である電圧V1から電圧V2への立下り(オフ)時の光学応答を改善する方法。
〔2〕 前記第1の偏光板及び前記第2の偏光板は、それぞれの透過軸が法線方向から見て互いに直交した位置関係にあり、
前記液晶層及び前記光学補償板は、前記液晶層の駆動電圧の無印加時における遅相軸及び前記光学補償板の遅相軸が法線方向から見て互いに直交した位置関係にあり、
前記第1の偏光板の透過軸及び前記液晶層の遅相軸の為す角度[rad]がπ/4である、前記〔1〕に記載の光学応答を改善する方法。
〔3〕 前記液晶セルは、前記液晶層を電圧制御複屈折モードで駆動する、前記〔1〕又は〔2〕に記載の光学応答を改善する方法。
〔4〕 前記液晶セルは、前記駆動電圧の無印加時における前記液晶層の配向状態が水平配向である、前記〔1〕〜〔3〕の何れか一項に記載の光学応答を改善する方法。
〔5〕 前記液晶層及び前記光学補償板は、前記駆動電圧がオフ状態となるときのそれぞれのリタデーションにより与えられる位相差[rad]を等しくし、且つ、π/2よりも小さい、前記〔4〕に記載の光学応答を改善する方法。
〔6〕 前記液晶セルは、前記駆動電圧の無印加時における前記液晶層の配向状態が垂直配向である、前記〔1〕〜〔3〕の何れか一項に記載の光学応答を改善する方法。
〔7〕 前記光学補償板は、位相差板である、前記〔1〕〜〔6〕の何れか一項に記載の光学応答を改善する方法。
〔8〕 前記位相差板は、Aプレート、Cプレート、二軸性プレートのうちの何れかを含む、前記〔7〕に記載の光学応答を改善する方法。
〔9〕 前記光学補償板は、光学補償用の液晶セルである、前記〔1〕〜〔6〕の何れか一項に記載の光学応答を改善する方法。
〔10〕 前記液晶層は、ネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶、強誘電性液晶のうちの何れかを含む、前記〔1〕〜〔9〕の何れか一項に記載の光学応答を改善する方法。
〔11〕 前記液晶層は、下記一般式(L1)〜(L3):
式中、R 11 〜R 32 は、それぞれ独立して炭素数1〜15のアルキル基、アルコキキシ基、アルケニル基又はアルケニルオキシ基を表す。
A 11 〜A 32 は、それぞれ独立して下記の何れかの構造を表す。
m 11 〜m 31 は、それぞれ独立して0〜3の整数を表す。
X 11 、X 12 は、それぞれ独立して−H、−Cl、−Fを表す。
Y 11 は、−CN、−Cl、−F、−OCHF 2 、−CF 3 、−OCF 3 、炭素数2〜5のフッ素化されたアルキル基、アルコキシ基、アルケニル基またはアルケニルオキシ基を表す。
〔12〕 前記液晶セルは、前記電極と電気的に接続された非線形アクティブ素子を含む、前記〔1〕〜〔11〕の何れか一項に記載の光学応答を改善する方法。
〔13〕 前記配向層は、ポリイミド、ポリアミド、カルコン、シンナメート、シンナモイルのうちの何れかを含む、前記〔1〕〜〔12〕の何れか一項に記載の光学応答を改善する方法。
〔14〕 互いに対向して配置された第1の基板及び第2の基板;
前記第1の基板及び前記第2の基板の間に挟持された液晶層;
前記第1の基板及び前記第2基板の間で前記液晶層の配向状態を制御する配向層;及び
前記液晶層の配向状態を駆動電圧の印加により発生する電界によって変化させる電極;
を有する液晶セル;並びに、
前記液晶セルの背面側及び前面側に配置されて、前記駆動電圧の印加時に前記液晶セルの背面側から前面側へと透過する光の透過光量が最大又は最小となるように、互いの透過軸の向きが設定された第1の偏光板及び第2の偏光板;
前記第1の偏光板及び前記第2の偏光板と前記液晶セルとの間のうち少なくとも一方の間に配置されて、その間を通過する光の光学補償を行う光学補償板;
を備える液晶表示素子において、
前記光学補償板の配置を省略した場合の前記駆動電圧がオン状態からオフ状態となるときの透過光量Ι1の時間tに対する微分係数を∂Ι1/∂tとし、前記光学補償板が配置された場合の前記駆動電圧がオン状態からオフ状態となるときの透過光量Ι2の時間tに対する微分係数を∂Ι2/∂tとしたときに、立下り(オフ)時の応答時間(τd)に関わる領域において、前記液晶層の位相差と前記光学補償板の位相差との関係が、下記式(1):
|∂Ι2/∂t|>|∂Ι1/∂t| …(1)
の関係を満足することを特徴とする液晶表示素子。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を模式的に示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
なお、図1は、液晶光学素子1を構成する各部の光学配置を示す模式図である。図2は、図1に示す液晶光学素子1から位相差板(光学補償板)5の配置を省略した場合の各部の光学配置を示す模式図である。
|∂Ι2/∂t|>|∂Ι1/∂t| …(1)
の関係を満足するように、液晶層の位相差Rlcと、位相差板5の位相差Rfとの光学設計を行う必要がある。
VLC1<VLC2 …(2)
の関係を満足するように、液晶セル2の駆動を行う。
次に、液晶セルの具体的な構成について、図13に示す液晶セル20及び図14に示す液晶セル30を例に挙げて説明する。
次に、液晶層23,33について具体的に説明する。
液晶層23,33には、例えば、ネマチック液晶、スメクチック液晶、強誘電性液晶、コレステリック液晶などの液晶材料を使用できるが、その中でも、ネマチック相を有する液晶を用いることが特に好ましい。
A11〜A32は、それぞれ独立して下記の何れかの構造を表す。
m11〜m31は、それぞれ独立して0〜3の整数を表す。
X11、X12は、それぞれ独立して−H、−Cl、−Fを表す。
Y11は、−CN、−Cl、−F、−OCHF2、−CF3、−OCF3、炭素数2〜5のフッ素化されたアルキル基、アルコキシ基、アルケニル基またはアルケニルオキシ基を表す。
したがって、k11jで屈折した波がe波(eabcと表記する。)、k21jで屈折した波がo波(oabcと表記する。)に該当する。
本例では、上記図3及び図4に示す液晶光学素子10,10’について、下記の定義により計算を進めるものとする。
第1の位相差板6(軸:極角θ c 、方位角φ c 、屈折率:ne c 、no c 、厚み:Λ c )、
液晶セル2の液晶層(軸:極角θd、方位角φd、屈折率:ned、nod、厚み:Λd)、
第2の位相差板7(軸:極角θ b 、方位角φ b 、屈折率:ne b 、no b 、厚み:Λ b )、
第2の偏光板4(軸位置:方位角φ a )
さらに、位相差板の配置を省略した場合、例えば第2の位相差板7の配置を省略した場合は、θ b =0、ne b =no b と置いて、下記式29aのMueller行列を単位行列化すればよい。
以下、上記式32c〜式32gを用いた種々のシミュレーション結果を例示し、本発明による光学設計の方法や有用性について説明する。
第1の偏光板3及び第2の偏光板4の配置:(φp,φa)=(45°,135°)
液晶セル2の配置:(φd)=(0°)
第1の位相板6の配置:(θc,φc)=(90°,90°)
第2の位相板7の配置:単位行列
なお、第1の位相板6はAプレートとし、簡略に説明する意図で、第2の位相板7はその配置を省略する(該当Mueller行列を単位行列にする。)ものとする。
透過光量Ι1=Ι2=1(共にθd=0°)から透過光量Ιaへの光学応答の場合、各値は下記となる。この場合、Ι2のθdの変化量が少なくて足り、Ι2の微分係数絶対値も大きいことが示され、ダブルでτdの高速化がなされている。
Ι2のθd変化量:0°→θ2a
Ι1のθd変化量:0°→θ1a
|∂Ι2/∂θd(θ2a)|>|∂Ι1/∂θd(θ1a)|
Ι2のθd変化量:θ2a→θ2b
Ι1のθd変化量:θ1a→θ1b
|∂Ι2/∂θd(θ2a)|>|∂Ι1/∂θd(θ1a)|
|∂Ι2/∂θd(θ2b)|≧|∂Ι1/∂θd(θ1b)|
応答時間τdに該当するθdの区間は、おおよそ(90°,45°)である。「Rlc=Rf<π/2」の場合、この区間のΙ2の微分係数絶対値はΙ1のそれよりも小さく、位相差板を配置することでτdが大幅に悪化している。逆に、「Rlc=Rf>π/2」の場合は、この区間のΙ2の微分係数絶対値はΙ1のそれよりも大きく、τdを改善している。
この領域以外の領域では、透過光量Ιが局所極値となるところがあると、微係数∂Ι/∂θd(θd)の大小関係の判断に誤りが生じる。
I1(θd)←「I1の数値の中で最大となる透過光量」−I1(θd)
なお、以下に示すシミュレーション結果は、何れも図3に示す液晶光学素子10を用いた例である。
第1の偏光板3及び第2の偏光板4の配置:(φp,φa)=(45°,135°)
液晶セル2の配置:(φd)=(0°)
第1の位相差板6の配置:(θc,φc)=(90°,90°)
第2の位相差板7の配置:単位行列
なお、第1の位相板6はAプレートとし、簡略に説明する意図で、第2の位相板7はその配置を省略する(該当Mueller行列を単位行列にする。)ものとする。液晶セル2は水平配向(HO)である。
また、図9及び図10には、上記式32gの透過光量の時間変化の比もグラフに示した。
図9は、入射光が垂直の場合のシミュレーション結果の例である。
図9に示すcase1〜case3は、波長λ=550nmで、nedを1.58、1.5916666、1.600とした場合である。
図9に示すcase4〜case6は、ned−nod=0.06で、入射波長を420nm、550nm、600nmに変化させた場合である。
図10は、入射光に対する視野角変化のシミュレーション結果の例である。
本例では、入射光に関する透過光強度を観測することになるので、観測する視野角の方位は入射光方位(θi,φi)と一致する。
case7〜case9:(θi,φi)=(15°,45°)
case10〜case12:(θi,φi)=(15°,0°)
図11は、液晶層の厚みを変化させた場合の液晶層と位相差板との位相差のシミュレーション結果の例である。本例では、液晶層の厚みΛを変えて、液晶層と位相板との位相差を下記のように不一致にさせている。
case13:Λd=4μm、Λd(ned−nod)=0.28、Λb=3μm、Λb(neb−nob)=0.21
case14:Λd=3μm、Λd(ned−nod)=0.21、Λb=4μm、Λb(neb−nob)=0.28
図12は、液晶層の厚みを変化させた場合の液晶層と位相差板との位相差を異ならせたcase15〜case18について、立下り(オフ)時の応答時間τdと、立上り(オン)時の応答時間τrを測定した。
(i) 上記式(1)を満たすことによりτdの改善が確認できたこと。
(ii) 任意の配置に関する透過光量の表式の導出と、その時間微分式である式32e〜式32gが検証されたこと。
(iii) 改善効果が特段に大きかったこと(応答改善の為に液晶材料の粘性γ1を半減させることは、現在極めて困難な課題となっている。)。
下記表4は、上記case15〜case17について、中間諧調の応答時間τdを測定した結果である。
表4に示す結果から、上記式(1)を満たすcase15〜case16では、何れの階調もcase17に比べて応答時間τdが50〜60%と大幅に改良していることがわかる。
Claims (14)
- 互いに対向して配置された第1の基板及び第2の基板;
前記第1の基板及び前記第2の基板の間に挟持された液晶層;
前記第1の基板及び前記第2基板の間で前記液晶層の配向状態を制御する配向層;及び
前記液晶層の配向状態を駆動電圧の印加により発生する電界によって変化させる電極;
を有する液晶セル;並びに、
前記液晶セルの背面側及び前面側に配置されて、前記駆動電圧の印加時に前記液晶セルの背面側から前面側へと透過する光の透過光量が最大又は最小となるように、互いの透過軸の向きが設定された第1の偏光板及び第2の偏光板;
前記第1の偏光板及び前記第2の偏光板と前記液晶セルとの間のうち少なくとも一方の間に配置されて、その間を通過する光の光学補償を行う光学補償板;
を備える液晶表示素子において、
前記光学補償板の配置を省略した場合の前記駆動電圧がオン状態からオフ状態となるときの透過光量Ι1の時間tに対する微分係数を∂Ι1/∂tとし、前記光学補償板が配置された場合の前記駆動電圧がオン状態からオフ状態となるときの透過光量Ι2の時間tに対する微分係数を∂Ι2/∂tとしたときに、立下り(オフ)時の応答時間(τd)に関わる領域において、下記式(1):
|∂Ι2/∂t|>|∂Ι1/∂t| …(1)
の関係を満足するように、前記液晶層の位相差と前記光学補償板の位相差との光学設計を行うことにより、
高低関係がV1>V2である電圧V1から電圧V2への立下り(オフ)時の光学応答を改善する方法。 - 前記第1の偏光板及び前記第2の偏光板は、それぞれの透過軸が法線方向から見て互いに直交した位置関係にあり、
前記液晶層及び前記光学補償板は、前記液晶層の駆動電圧の無印加時における遅相軸及び前記光学補償板の遅相軸が法線方向から見て互いに直交した位置関係にあり、
前記第1の偏光板の透過軸及び前記液晶層の遅相軸の為す角度[rad]がπ/4である、請求項1に記載の光学応答を改善する方法。 - 前記液晶セルは、前記液晶層を電圧制御複屈折モードで駆動する、請求項1又は2に記載の光学応答を改善する方法。
- 前記液晶セルは、前記駆動電圧の無印加時における前記液晶層の配向状態が水平配向である、請求項1〜3の何れか一項に記載の光学応答を改善する方法。
- 前記液晶層及び前記光学補償板は、前記駆動電圧がオフ状態となるときのそれぞれのリタデーションにより与えられる位相差[rad]を等しくし、且つ、π/2よりも小さい、請求項4に記載の光学応答を改善する方法。
- 前記液晶セルは、前記駆動電圧の無印加時における前記液晶層の配向状態が垂直配向である、請求項1〜3の何れか一項に記載の光学応答を改善する方法。
- 前記光学補償板は、位相差板である、請求項1〜6の何れか一項に記載の光学応答を改善する方法。
- 前記位相差板は、Aプレート、Cプレート、二軸性プレートのうちの何れかを含む、請求項7に記載の光学応答を改善する方法。
- 前記光学補償板は、光学補償用の液晶セルである、請求項1〜6の何れか一項に記載の光学応答を改善する方法。
- 前記液晶層は、ネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶、強誘電性液晶のうちの何れかを含む、請求項1〜9の何れか一項に記載の光学応答を改善する方法。
- 前記液晶層は、下記一般式(L1)〜(L3):
式中、R 11 〜R 32 は、それぞれ独立して炭素数1〜15のアルキル基、アルコキキシ基、アルケニル基又はアルケニルオキシ基を表す。
A 11 〜A 32 は、それぞれ独立して下記の何れかの構造を表す。
m 11 〜m 31 は、それぞれ独立して0〜3の整数を表す。
X 11 、X 12 は、それぞれ独立して−H、−Cl、−Fを表す。
Y 11 は、−CN、−Cl、−F、−OCHF 2 、−CF 3 、−OCF 3 、炭素数2〜5のフッ素化されたアルキル基、アルコキシ基、アルケニル基またはアルケニルオキシ基を表す。 - 前記液晶セルは、前記電極と電気的に接続された非線形アクティブ素子を含む、請求項1〜11の何れか一項に記載の光学応答を改善する方法。
- 前記配向層は、ポリイミド、ポリアミド、カルコン、シンナメート、シンナモイルのうちの何れかを含む、請求項1〜12の何れか一項に記載の光学応答を改善する方法。
- 互いに対向して配置された第1の基板及び第2の基板;
前記第1の基板及び前記第2の基板の間に挟持された液晶層;
前記第1の基板及び前記第2基板の間で前記液晶層の配向状態を制御する配向層;及び
前記液晶層の配向状態を駆動電圧の印加により発生する電界によって変化させる電極;
を有する液晶セル;並びに、
前記液晶セルの背面側及び前面側に配置されて、前記駆動電圧の印加時に前記液晶セルの背面側から前面側へと透過する光の透過光量が最大又は最小となるように、互いの透過軸の向きが設定された第1の偏光板及び第2の偏光板;
前記第1の偏光板及び前記第2の偏光板と前記液晶セルとの間のうち少なくとも一方の間に配置されて、その間を通過する光の光学補償を行う光学補償板;
を備える液晶表示素子において、
前記光学補償板の配置を省略した場合の前記駆動電圧がオン状態からオフ状態となるときの透過光量Ι1の時間tに対する微分係数を∂Ι1/∂tとし、前記光学補償板が配置された場合の前記駆動電圧がオン状態からオフ状態となるときの透過光量Ι2の時間tに対する微分係数を∂Ι2/∂tとしたときに、立下り(オフ)時の応答時間(τd)に関わる領域において、前記液晶層の位相差と前記光学補償板の位相差との関係が、下記式(1):
|∂Ι2/∂t|>|∂Ι1/∂t| …(1)
の関係を満足することを特徴とする液晶表示素子。
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