JP6808576B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、携帯電話機などの各種の電子機器の表示装置として好適に実施することができる液晶表示装置に関する。

従来から、アクティブマトリクス型液晶表示装置において、黒表示時の液晶表示パネルの光透過率が極小にならず、表示品位の高いノーマリブラックの黒レベルが得られない、いわゆる黒浮きの問題を解決する技術が求められている。

このような問題を解決する従来技術は、たとえば特許文献１に記載されている。この従来技術では、反射機能を有する領域と透過機能を有する領域とが形成された一方基板と、対向電極が形成された他方基板とを有し、一方基板と他方基板との間に液晶層が挟持された液晶表示装置において、他方基板の液晶層とは反対の面に設けられた第１の偏光手段と、一方基板の液晶層とは反対の面に設けられた第２の偏光手段と、第１の偏光手段と液晶層との間に設けられ、第１の偏光手段からの直線偏光を円偏光とする第１の１／４波長板と、第２の偏光手段と液晶層との間に設けられ、第２の偏光手段からの直線偏光を円偏光とする第２の１／４波長板と、第１の偏光手段と液晶層との間に設けられ、第１の１／４波長板の屈折率異方性の波長依存性を補償する１／２波長板とを有し、液晶層が負の誘電異方性を有する垂直配向液晶材料である液晶表示装置が提案されている。

特開２０００−３５５７０号公報

上記の特許文献１に記載される従来技術は、垂直配向（Vertical Alignment；略称ＶＡ）制御型の液晶表示装置を対象としている。垂直配向制御型の液晶表示装置は、初期配向状態の液晶分子の配向方向が各基板の表面と垂直（垂直配向）であり、従来技術は、電界印加によって液晶分子を傾けて液晶の複屈折率Δｎを変化させて透過光が変化する液晶表示装置についての黒浮きを改善する技術を提案するものであり、複屈折制御（Electrically Controlled Birefringence；略称ＥＣＢ）型の液晶表示装置に対する黒浮きを広帯域で防止する技術については、提案していない。

複屈折制御型の液晶表示装置では、液晶層に電界を印加しない状態（初期配向状態）で液晶分子が基板の表面と平行であり、この液晶層に印加する電界を徐々に高くすると、ある閾値電界を超えたときに、液晶分子が基板の表面に対して徐々に立ち上がり始め、高電圧で分子配向方向が基板の表面に対して垂直になる動作モードで駆動される。このような複屈折制御型の液晶表示装置においても、上記の垂直配向制御型の液晶表示装置と同様に、広帯域で黒浮きを抑制する技術が求められている。

本発明の目的は、ノーマリブラックで表示を行う複屈折制御型の液晶表示装置において、広帯域で表示品位の高い黒レベルを実現して黒浮きを抑制することができる液晶表示装置を提供することである。

本発明は、ノーマリブラックで表示を行う複屈折制御型の液晶表示装置であって、
液晶層を有するとともに、表示面側から入射して前記液晶層を通過した光を反射する光反射部を有する液晶表示パネルと、
前記液晶表示パネルの前記表示面側に配置される第１の偏光板と、
前記液晶表示パネルと前記第１の偏光板との間に、前記第１の偏光板の側から順に設けられる第１の１／２波長板および第２の１／２波長板と、を備え、
前記液晶層は、その位相差が前記第２の１／２波長板の位相差の１／２よりも小さく、
前記第２の１／２波長板は、その遅相軸が電界無印加時の液晶分子の配向軸と直交しており、
前記第１の１／２波長板の遅相軸と前記第２の１／２波長板の前記遅相軸とが交差していることを特徴とする液晶表示装置である。

また本発明は、前記第１の１／２波長板の遅相軸と、前記第２の１／２波長板の遅相軸とは、４３°以上６３°以下の交差角度で交差していることを特徴とする。

また本発明は、前記液晶表示パネルは、反表示面側から入射した光を、前記液晶層を透過させる光透過部を有し、
前記液晶表示パネルの前記反表示面側に配置される第２の偏光板と、
前記液晶表示パネルと前記第２の偏光板との間に、前記液晶表示パネルの側から順に設けられる１／４波長板および第３の１／２波長板と、をさらに備え、
前記１／４波長板の遅相軸と前記第２の１／２波長板の前記遅相軸とは、９０°で交差しており、
前記第３の１／２波長板の遅相軸と前記第１の１／２波長板の遅相軸とは、８８°以上１０８°以下で交差していることを特徴とする。

また本発明は、前記光透過部の位相差は、前記光反射部の位相差よりも大きいことを特徴とする。

また本発明は、ノーマリブラックで表示を行う複屈折制御型の液晶表示装置であって、
液晶層を有するとともに、表示面側から入射して前記液晶層を通過した光を反射する光反射部を有する液晶表示パネルと、
前記液晶表示パネルの前記表示面側に配置される第１の偏光板と、
前記液晶表示パネルと前記第１の偏光板との間に設けられる、第１の１／２波長板と、を備え、
前記液晶層は、その位相差が前記第１の１／２波長板の位相差の１／２よりも小さく、
前記第１の１／２波長板は、その遅相軸が電界無印加時の液晶分子の配向軸と交差していることを特徴とする液晶表示装置である。

また本発明は、前記第１の１／２波長板の遅相軸と、前記電界無印加時の液晶分子の配向軸とは、５３°以上７８°以下の交差角度で交差していることを特徴とする。

また本発明は、前記液晶表示パネルは、反表示面側から入射した光を、前記液晶層を透過させる光透過部を有し、
前記液晶表示パネルの前記反表示面側に配置される第２の偏光板と、
前記液晶表示パネルと前記第２の偏光板との間に、前記液晶表示パネルの側から順に設けられる１／４波長板および第２の１／２波長板と、をさらに備え、
前記１／４波長板の遅相軸と前記電界無印加時の液晶分子の配向軸とは、９０°で交差しており、
前記第２の１／２波長板の遅相軸と前記第１の１／２波長板の遅相軸とは、９０°以上１１０°以下で交差していることを特徴とする。

また本発明は、前記光透過部の位相差は、前記光反射部の位相差よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、ノーマリブラックで表示を行う複屈折制御型の液晶表示装置において、第２の１／２波長板は、その遅相軸が電界無印加時の液晶分子の配向軸と直交していることによって、液晶層の位相差を打ち消す。これによって、第２の１／２波長板および液晶層は、１／４波長板として機能する。第１の１／２波長板、第２の１／２波長板および液晶層から出射した円偏光は、広帯域の円偏光となる。

液晶層に電界が印加された状態では、液晶層の位相差が第２の１／２波長板の位相差の１／２よりも小さく設定されるので、第２の１／２波長板から入射した円偏光は液晶層を通って楕円偏光となり、光反射部で反射される。楕円偏光の反射光は、再び液晶層と第２の１／２波長板と第１の１／２波長板とを通過し、第１の偏光板の偏光方向の光だけが通過して、白表示となる。

また、液晶層に電界が印加されない状態では、第２の１／２波長板および液晶層は１／４波長板として機能し、液晶層から出射した円偏光は、広帯域の円偏光となり、円偏光のまま光反射部で反射されて反射光となる。円偏光の反射光は、再び液晶層と第２の１／２波長板および第１の１／２波長板を通過し、第１の偏光板の偏光方向に直交する直線偏光となり、広帯域でノーマリブラックの色味、すなわち表示品位の高い黒レベル、いわゆる黒浮きが抑制された黒表示となる。

また本発明によれば、第１の１／２波長板の遅相軸と第２の１／２波長板の遅相軸との交差角度を、４３°以上６３°以下とすることによって、表示品位の高いノーマリブラックの黒表示を実現することができる。

また本発明によれば、液晶表示パネルは反表示面側から入射した光は光透過部を有する液晶層を透過する。１／４波長板の遅相軸と第２の１／２波長板の遅相軸との交差角度が９０°であり、第３の１／２波長板の遅相軸と第１の１／２波長板の遅相軸との交差角度が８８°以上１０８°以下であるので、液晶表示パネルの反表示面の側から入射した光は、第２の偏光板によって直線偏光となるが、この直線偏光は、第３の１／２波長板および１／４波長板を通過すると広帯域において円偏光となる。この円偏光は、液晶層および第２の１／２波長板をそのまま通過し、第１の１／２波長板を通過した後、直線偏光となる。この直線偏光の偏光方向は、第１の偏光板の偏光方向に直交する。これによって、直線偏光は、第１の偏光板から外部に出射せず、表示品位の高いノーマリブラックの黒表示が得られる、いわゆる半透過反射型の液晶表示装置を実現することができる。

また本発明によれば、光透過部の位相差が光反射部の位相差よりも大きいので、液晶層の光透過部および光反射部の位相差を調整するためのマルチギャップ、すなわち液晶層の層厚調整層を設けることが可能となり、これによって反射表示および透過表示共に高いコントラストを実現することができる。

本発明によれば、ノーマリブラックで表示を行う複屈折制御型の液晶表示装置において、液晶層の位相差は、１／４波長板として機能する。第１の１／２波長板および液晶層から出射した円偏光は、広帯域の円偏光となる。

液晶層に電界が印加された状態では、第１の１／２波長板と液晶層とを通って直線偏光となり、光反射部で反射される。直線偏光の反射光は、再び液晶層と第１の１／２波長板とを通過し、第１の偏光板の偏光方向と同じ直線偏光となるため、白表示となる。

また、液晶層に電界が印加されない状態では、第１の１／２波長板および液晶層は１／４波長板として機能し、液晶層から出射した円偏光は、広帯域の円偏光となり、円偏光のまま光反射部で反射されて反射光となる。円偏光の反射光は、再び液晶層および第１の１／２波長板を通過し、第１の偏光板の偏光方向に直交する直線偏光となり、広帯域でノーマリブラックの色味、すなわち表示品位の高い黒レベル、いわゆる黒浮きが抑制された黒表示となる。

また本発明によれば、第１の１／２波長板の遅相軸と電界無印加時の液晶分子の配向軸との交差角度を、５３°以上７８°以下とすることによって、表示品位の高いノーマリブラックの黒表示を実現することができる。

また本発明によれば、液晶表示パネルは反表示面側から入射した光は光透過部を有する液晶層を透過する。１／４波長板の遅相軸と電界無印加時の液晶分子の配向軸との交差角度が９０°であり、第２の１／２波長板の遅相軸と第１の１／２波長板の遅相軸との交差角度が９０°以上１１０°以下であるので、液晶表示パネルの反表示面の側から入射した光は、第２の偏光板によって直線偏光となるが、この直線偏光は、第２の１／２波長板および１／４波長板を通過すると広帯域において円偏光となる。この円偏光は、液晶層および第１の１／２波長板を通過した後、直線偏光となる。この直線偏光の偏光方向は、第１の偏光板の偏光方向に直交する。これによって、直線偏光は、第１の偏光板から外部に出射せず、表示品位の高いノーマリブラックの黒表示が得られる、いわゆる半透過反射型の液晶表示装置を実現することができる。

また本発明によれば、光透過部の位相差が光反射部の位相差よりも大きいので、液晶層の光透過部および光反射部の位相差を調整するためのマルチギャップ、すなわち液晶層の層厚調整層を設けることが可能となり、これによって反射表示および透過表示共に高いコントラストを実現することができる。

本発明の一実施形態の液晶表示装置の構成を示す断面図である。 液晶表示装置の電界無印加時および電界印加時の動作を説明するための図である。 液晶表示装置の軸配置および位相差値を示す図である。 本発明の他の実施形態の液晶表示装置の構成を示す断面図である。 他の実施形態の液晶表示装置の電界無印加時および電界印加時の動作を説明するための図である。 他の実施形態の液晶表示装置の軸配置および位相差値を示す図である。 本発明の他の実施形態の液晶表示装置の構成を示す断面図である。 液晶表示装置の電界無印加時および電界印加時の動作を説明するための図である。 液晶表示装置の軸配置および位相差値を示す図である。 本発明の他の実施形態の液晶表示装置の構成を示す断面図である。 他の実施形態の液晶表示装置の電界無印加時および電界印加時の動作を説明するための図である。 他の実施形態の液晶表示装置の軸配置および位相差値を示す図である。

図１は本発明の一実施形態の液晶表示装置の構成を示す断面図であり、図２は液晶表示装置の電界無印加時および電界印加時の動作を説明するための図であり、図３は液晶表示装置の軸配置および位相差値を示す図である。

本実施形態の液晶表示装置１は、ノーマリブラックで表示を行う複屈折制御型の反射型液晶表示装置である。この液晶表示装置１は、液晶層２を有するとともに、表示面３側から入射して液晶層２を通過した光を反射する光反射層４を有する液晶表示パネル５と、液晶表示パネル５の表示面３側に配置される第１の偏光板６と、液晶表示パネル５と第１の偏光板６との間の、第１の偏光板６側に配置される第１の１／２波長板７と、液晶表示パネル５と第１の偏光板６との間の、液晶表示パネル５側に配置される第２の１／２波長板８と、を含む。このように、液晶表示パネル５と第１の偏光板６との間には、第１の偏光板６の側から順に設けられる第１の１／２波長板７および第２の１／２波長板８を備える。

液晶層２は、その位相差が第２の１／２波長板８の位相差の１／２よりも小さく、第２の１／２波長板８は、その遅相軸が電界無印加時の液晶分子の配向軸と直交している。第１の１／２波長板７の遅相軸と第２の１／２波長板８の遅相軸とは、交差している。

液晶表示パネル５は、第１の基板１０、遮光層１１、カラーフィルタ層１２、共通電極１３、第１の配向層１４、柱状部１５、液晶層２、第２の配向層１６、透明電極１７、第５の層間絶縁層１８、光反射層４、第４の層間絶縁層１９、ドレイン電極２０、ソース電極２１、層間接続部２２、第３の層間絶縁層２３、第２の層間絶縁層２４、第１の層間絶縁層２５、第２のゲート絶縁層２６、第１のゲート絶縁層２７、第２の基板２８、チャネル部２９、半導体層３０およびゲート電極３１を備える。

前述のドレイン電極２０、ソース電極２１、層間接続部２２、チャネル部２９、半導体層３０およびゲート電極３１は、アクティブ素子としての薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor；略称ＴＦＴ）を構成する。ドレイン電極２０は、画素電極である光反射層４に層間接続部２２などによって接続される。ゲート電極３１に接続されるゲート信号線は、画素の行ごとに設けられ、ソース電極２１に接続されるソース信号線は、画素の列ごとに設けられ、ゲート信号線とソース信号線との各交差部に画素がそれぞれ形成される。

第１の基板１０および第２の基板２８は、ガラス基板によって実現される。遮光層１１は、ブラックマトリクスを構成し、図１の上方から見た平面視において画素間に設けられ、各画素を区画している。共通電極１３は、酸化インジウムスズ(Indium Tin Oxide；略
称ＩＴＯ）等から成り、透明電極層を構成している。第１の配向層１４および第２の配向層１６は、ポリイミド等から成る。第４の層間絶縁層１９は、アクリル系樹脂等から成る。第１〜第３の層間絶縁層２５，２４，２３ならびに第１および第２のゲート絶縁層２６，２７は、酸化珪素（ＳｉＯ）または窒化珪素（ＳｉＮ）から成る。光反射層４は、モリブデン（Ｍｏ），アルミニウム（Ａｌ）等から成り、例えば、Ｍｏ層上にＡｌ層を積層した構成等である。

薄膜トランジスタは、アモルファスシリコン(a-Si)、低温多結晶シリコン（Low-Temperature Poly Silicon；ＬＴＰＳ）などから成る半導体層３０を有し、ゲート電極３１、ソース電極２１、ドレイン電極２０の３端子素子であって、ゲート電極３１に所定電位の電圧(例えば、３Ｖ，６Ｖ)を印加することによって、ソース電極２１とドレイン電極２０との間の半導体層３０（チャネル）に電流を流す、スイッチング素子(ゲートトランスファ素子)として機能する。

第１の偏光板６は、直線偏光板であって、外部から表示面３に入射するランダム偏光（楕円偏光）の光から光透過軸（以下、透過軸ともいう）に一致する直線偏光の光だけを透過させる。第１の偏光板６の光透過軸（または光吸収軸（以下、吸収軸ともいう））と後述の第２の偏光板４４（図４を参照）の光透過軸（または光吸収軸）との交差角度は、必ずしも９０°でなくてもよい。本実施形態において、交差角度は９５°以上１１５°以下に配置され、好ましくは１０６°に配置される。なお、後述の他の実施形態でも、１０６°に配置される。

液晶表示パネル５は、複屈折制御（Electrically Controlled Birefringence；略称ＥＣＢ）型であり、液晶層２に電界が印加されていない初期配向状態で、液晶分子が第１および第２の基板１０，２８の互いに対向する各表面と平行になるように水平配向処理を施したものを用いる。この液晶表示パネル５に印加する電圧を徐々に高くしていくと、ある閾値電圧を超えたときに液晶分子は第１および第２の基板１０，２８の各表面に対して徐々に立ち上がり始め、規定値以上の高電圧で分子配向方向は各基板１０，２８の各表面に対して垂直になる。

液晶は屈折率異方性媒質であるので、液晶分子の配向軸方向（Ｘ軸）の光波と、液晶分子の配向軸と直交方向（Ｙ軸）の光波では、進行速度が異なり、換言すると、Ｘ軸とＹ軸とでは光波の屈折率が異なる。Ｘ軸の屈折率（ｎｘ）とＹ軸の屈折率（ｎｙ）との差を複屈折率Δｎ（＝ｎｘ−ｎｙ）という。

液晶層２に入射し、それから出射した光波は、Ｘ軸とＹ軸で速度が違うため、Ｘ軸とＹ軸で位相がずれ、この位相のずれを位相差またはリタデーション（Retardation）という。ここで、入射光の波長をλ、液晶層２の厚さをｄ、複屈折率をΔｎとすると、位相差δは、次式（１）で表わされる。また、Δｎ・ｄ（ｎｍ）でも表される。
δ＝２・π・Δｎ・ｄ／λ …（１）

垂直配向（Vertical Alignment；略称ＶＡ）方式は、ＥＣＢ方式とは逆に、初期配向状態の液晶分子の配向方向が第１および第２の基板１０，２８の表面と垂直（垂直配向）となるような配向膜を配置し、電界が印加されることによって液晶分子を傾け、複屈折率Δｎを変化させる。

本件発明者は、複屈折制御型であって、ノーマリブラックの液晶表示装置１において、液晶層２の位相差が第１および第２の１／２波長板７，８の位相差（１／２波長である。例えば、波長が５５０ｎｍである場合、第１および第２の１／２波長板７，８で約２７５ｎｍの位相差となる。本実施形態では２７０ｎｍ）の１／２よりも小さい場合（例えば、本実施形態では１１０ｎｍ）に、ノーマリブラックの色味（黒さの程度）が良好である（真黒に近い）ことを見出した。そして、この液晶表示パネル５に付加される第１および第２の１／２波長板７，８の遅相軸を所定の方向に配置することによって、ノーマリブラックの色味を改善することができることを見出した。

本件発明者は、ノーマリブラックの視認性が改善されていることを確認するために、実施例１および比較例１の液晶表示装置サンプルを作製し、液晶層２の位相差値を、実施例１では１１０ｎｍ、比較例１では１４０ｎｍとし、コニカミノルタジャパン株式会社製の分光測色計「ＣＭ−２６００ｄ」を用いて、黒表示の反射率、白表示の反射率、反射コントラスト比を計測した。第１の偏光板６として、日東電工株式会社製、製品名「ＴＥＧ１４６５ＤＵＨＣ」の偏光板を使用した。また、第１および第２の１／２波長板７，８として、日本ゼオン株式会社製、製品名「ゼオノアフィルム」の位相差値が２７０ｎｍを使用した。

実験の結果、実施例１では、黒表示の反射率が０．６％、白表示の反射率が１８％、反射コントラスト比が３０：１であった。これに対して比較例１では、黒表示の反射率が３．４％、白表示の反射率が１７％、反射コントラスト比が５：１となり、黒表示において良好な視認性が得られることが確認された。このような実験によって、液晶層２の位相差を第２の１／２波長板８の位相差の１／２よりも小さくすると、表示品位の高い黒レベルにすることができ、黒表示の視認性を向上することが確認された。ただし、第２の１／２波長板８の位相差の１／４よりも小さい場合、例えば、液晶層２の位相差値を６５ｎｍとすると、表示色は青色がかった黒表示となり、黒表示の視認性が低下する傾向であった。したがって、液晶層２の位相差は、第２の１／２波長板８の位相差の１／４以上１／２よりも小さいことが好ましい。

第２の１／２波長板８は、その遅相軸が電界無印加時の液晶分子の配向軸と直交していることによって、液晶層２の位相差を打ち消すことができる。これによって、第２の１／２波長板および液晶層は、１／４波長板として機能する。第１の１／２波長板と第２の１／２波長板および液晶層から出射した円偏光は、広帯域の円偏光となる。ただし、液晶層２から出射した円偏光は、光反射層４で反射されると、回転方向が逆転した円偏光となる。

図２および図３をも参照して、液晶表示パネル５を表示面３側から見たとき、第２の１／２波長板８の遅相軸の方向、すなわち液晶分子の電界無印加時の初期配向方向（＝ラビング方向）に直交する方向を基準軸（＝０°）とし、その基準軸から各軸までの反時計まわりの角度を遅相軸の角度とすると、第１の偏光板６の吸収軸の角度θｐ１は６３°である。第１の１／２波長板７の遅相軸の角度θｆ１は５３°（位相差値Δｎｄ＝２７０ｎｍ）であり、第２の１／２波長板８の遅相軸の角度θｆ２は０°（位相差値Δｎｄ＝２７０ｎｍ）である。

第１の１／２波長板７の遅相軸と第２の１／２波長板８の遅相軸とは交差角度α１で交差している。第１の１／２波長板７の遅相軸と第２の１／２波長板８の遅相軸との交差角度α１は、４３°以上６３°以下に配置され、好ましくは５３°に配置される。第２の１／２波長板８の遅相軸と液晶層２の液晶分子の配向方向との交差角度α２は、ほぼ直交し、好ましくは９０°である。これによって、表示品位の高い黒レベルの黒表示が得られ、ノーマリブラックの色味（黒さの程度）を改善することができる。

次に、液晶表示装置１の表示について説明すると、外部から液晶表示装置１の表示面３の側に入射したランダム偏光（楕円偏光）の光ａ１は、第１の偏光板６によって直線偏光（直線偏光ａ２とする）となる。直線偏光ａ２は、液晶層２を通過すると円偏光（円偏光ａ３とする）となる。

液晶層２に電界が印加された状態では、液晶層２の位相差が第２の１／２波長板８の位相差の１／２よりも小さく設定されるので、液晶層２を通って楕円偏光ａ４となり、光反射層４で反射される。その楕円偏光ａ４の反射光ｂ３は、再び液晶層２と第２の１／２波長板８と第１の１／２波長板７とを通過し、楕円偏光ｂ４となり、第１の偏光板６の偏光方向の光だけが通過して、白表示となる。

また、液晶層２に電界が印加されない状態では、液晶層２を通過し、広帯域の円偏光ａ３となり、広帯域の円偏光ａ３のまま光反射層４で反射されて反射光ｂ１となる。円偏光の反射光ｂ１は、再び液晶層２および第２の１／２波長板８および第１の１／２波長板７を通過し、第１の偏光板６の偏光方向に直交する直線偏光ｂ２となり、ノーマリブラックの色味、すなわち表示品位の高い黒レベル、いわゆる黒浮きが抑制された黒表示を得ることができる。

図４は本発明の他の実施形態の液晶表示装置を示す断面図であり、図５は液晶表示装置の電界無印加時および電界印加時の動作を説明するための図であり、図６は液晶表示装置の軸配置を示す図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の液晶表示装置１ａは、液晶表示パネル５の反表示面４３側に配置される第２の偏光板４４と、液晶表示パネル５と第２の偏光板４４との間に配置される１／４波長板４５および第３の１／２波長板５０とをさらに備え、液晶表示パネル５の反表示面４３の側から入射した光を透過させる光透過部４６が液晶層２に設けられ、いわゆる半透過型（光反射部と光透過部との双方を備える）の液晶表示装置として実現される。基本的には、反表示面４３側にバックライト装置は不要であるが、あってもよい。

１／４波長板４５は、その遅相軸と第２の１／２波長板８の遅相軸とが直交するので、第２の１／２波長板７の残留位相差、すなわち第２の１／２波長板８に対して１／２の位相差分を打ち消すことができる。このように液晶表示パネル５と第２の偏光板４４との間には、液晶表示パネル５の側から順に１／４波長板４５および第３の１／２波長板５０が設けられる。１／４波長板４５の遅相軸と第２の１／２波長板８の遅相軸との交差角度は９０°である。また第３の１／２波長板５０の遅相軸と第１の１／２波長板７の遅相軸とは、８８°以上１０８°以下の交差角度で交差している。

次に、液晶表示装置１ａの表示について説明すると、液晶表示パネル５は、反表示面４３側から入射した光を透過させる光透過部４６を液晶層２に有するので、液晶層２に電界が印加されていない状態では、液晶表示パネル５の反表示面４３の側から入射した光は、第２の偏光板４４によって直線偏光ｃ１となるが、この直線偏光ｃ１は、第３の１／２波長板５０および１／４波長板４５を通過すると広帯域の円偏光ｃ２となる。この広帯域の円偏光ｃ２は、液晶層２および第２の１／２波長板８、さらに第１の１／２波長板７を通過した後、直線偏光ｃ３となる。この直線偏光ｃ３の偏光方向は、第１の偏光板６の偏光方向に直交する。これによって、直線偏光ｃ３は、第１の偏光板６から外部に出射せず、表示品位の高いノーマリブラックの黒表示が得られる、いわゆる半透過型の液晶表示装置を実現することができる。

また、液晶層２に電界が印加された状態では、反表示面４３側からの入射光は、第２の偏光板４４を通過し、直線偏光ｄ１となる。この直線偏光ｄ１の光は、第３の１／２波長板５０と１／４波長板４５によって広帯域の円偏光ｄ２となる。この広帯域の円偏光ｄ２は、液晶層２、第２の１／２波長板８、第１の１／２波長板７を通過して楕円偏光ｄ３となり、楕円偏光ｄ３は第１の偏光板６の偏光方向の光だけが通過して、白表示となる。

図５および図６をも参照して、液晶表示パネル５を表示面３側から見たとき、第２の１／２波長板８の遅相軸の方向、すなわち液晶分子の電界無印加時の初期配向方向（＝ラビング方向）に直交する方向を基準軸（＝０°）とし、その基準軸から各軸までの反時計まわりの角度を遅相軸の角度とすると、第１の偏光板６の吸収軸の角度θｐ１は６３°である。第１の１／２波長板７の遅相軸の角度θｆ１は５４°（位相差値Δｎｄ＝２７０ｎｍ）であり、第２の１／２波長板８の遅相軸の角度θｆ２は０°（位相差値Δｎｄ＝２７０ｎｍ）である。１／４波長板４５の遅相軸の角度θｆ３は９０°（位相差値Δｎｄ＝１４０ｎｍ）であり、第３の１／２波長板５０の遅相軸の角度θｆ４は１５２°（位相差値Δｎｄ＝２７０ｎｍ）、第２の偏光板４４の吸収軸の角度θｐ２は１６９°である。

第１の１／２波長板７の遅相軸と第２の１／２波長板８の遅相軸との交差角度α３は、４３°以上６３°以下に選ばれ、好ましくは５４°に選ばれる。第２の１／２波長板８と液晶層２の液晶分子の配向方向との交差角度α３は、９０°であり、第２の１／２波長板８の遅相軸と１／４波長板４５の遅相軸との交差角度は９０°であり、第３の１／２波長板５０の遅相軸と第１の１／２波長板７の遅相軸との交差角度（θｆ３−θｆ１）が８８°以上１０８°以下、好ましく９８°に選ばれる。さらに第１の偏光板６の吸収軸と第２の偏光板４４の吸収軸との交差角度（θｐ２−θｐ１）は、９５°以上１１５°以下、好ましくは１０６°に選ばれる。

これによって、黒レベルの表示品位が高いノーマリブラックの黒表示を実現することができる。

他の実施形態では、第１の１／２波長板７の遅相軸と第２の１／２波長板８の遅相軸との交差角度を４３°以上６３°以下とし、第２の１／２波長板８の遅相軸と液晶層２の液晶分子の配向方向との交差角度をほぼ直交、好ましくは９０°とし、第２の１／２波長板８の遅相軸と１／４波長板４５の遅相軸との公差角度がほぼ直交、好ましくは９０°とし、第１の１／２波長板７の遅相軸と第３の１／２波長板５０の遅相軸との交差角度を８８°以上１０８°以下、好ましくは９８°とし、第１の偏光板６の吸収軸と第２の偏光板４４の吸収軸との交差角度を９５°以上１１５°以下、好ましくは１０６°としてもよい。

また、光透過部４６の位相差を光反射部４７の位相差よりも大きくし、液晶層２の光透過部４６と光反射部４７とをマルチギャップ化すること、すなわち液晶層２の層厚調整層を設けることができる。これによって反射表示および透過表示共に高いコントラストを実現することができる。

図７は本発明の他の実施形態の液晶表示装置の構成を示す断面図であり、図８は液晶表示装置の電界無印加時および電界印加時の動作を説明するための図であり、図９は液晶表示装置の軸配置および位相差値を示す図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付す。

本実施形態の液晶表示装置１ｂは、ノーマリブラックで表示を行う複屈折制御型の反射型液晶表示装置である。この液晶表示装置１ｂは、液晶層２を有するとともに、表示面３側から入射して液晶層２を通過した光を反射する光反射層４を有する液晶表示パネル５と、液晶表示パネル５の表示面３側に配置される第１の偏光板６と、液晶表示パネル５と第１の偏光板６との間に設けられる第１の１／２波長板７と、を備える。

液晶層２は、その位相差が第１の１／２波長板７の位相差の１／２よりも小さく、その遅相軸が電界無印加時の液晶分子の配向軸とは交差している。

液晶表示パネル５は、第１の基板１０、遮光層１１、カラーフィルタ層１２、共通電極１３、第１の配向層１４、柱状部１５、液晶層２、第２の配向層１６、透明電極１７、第５の層間絶縁層１８、光反射層４、第４の層間絶縁層１９、ドレイン電極２０、ソース電極２１、層間接続部２２、第３の層間絶縁層２３、第２の層間絶縁層２４、第１の層間絶縁層２５、第２のゲート絶縁層２６、第１のゲート絶縁層２７、第２の基板２８、チャネル部２９、半導体層３０およびゲート電極３１を備える。

前述のドレイン電極２０、ソース電極２１、層間接続部２２、チャネル部２９、半導体層３０およびゲート電極３１は、アクティブ素子としての薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor；略称ＴＦＴ）を構成する。ドレイン電極２０は、画素電極である光反射層４に層間接続部２２などによって接続される。ゲート電極３１に接続されるゲート信号線は、画素の行ごとに設けられ、ソース電極２１に接続されるソース信号線は、画素の列ごとに設けられ、ゲート信号線とソース信号線との各交差部に画素がそれぞれ形成される。

第１の基板１０および第２の基板２８は、ガラス基板によって実現される。遮光層１１は、ブラックマトリクスを構成し、図７の上方から見た平面視において画素間に設けられ、各画素を区画している。共通電極１３は、酸化インジウムスズ(Indium Tin Oxide；略称ＩＴＯ）等から成り、透明電極層を構成している。第１の配向層１４および第２の配向層１６は、ポリイミド等から成る。第４の層間絶縁層１９は、アクリル系樹脂等から成る。第１〜第３の層間絶縁層２５，２４，２３ならびに第１および第２のゲート絶縁層２６，２７は、酸化珪素（ＳｉＯ）または窒化珪素（ＳｉＮ）から成る。光反射層４は、モリブデン（Ｍｏ），アルミニウム（Ａｌ）等から成り、例えば、Ｍｏ層上にＡｌ層を積層した構成等である。

薄膜トランジスタは、アモルファスシリコン(a-Si)、低温多結晶シリコン（Low-Temperature Poly Silicon；ＬＴＰＳ）などから成る半導体層３０を有し、ゲート電極３１、ソース電極２１、ドレイン電極２０の３端子素子であって、ゲート電極３１に所定電位の電圧(例えば、３Ｖ，６Ｖ)を印加することによって、ソース電極２１とドレイン電極２０との間の半導体層３０（チャネル）に電流を流す、スイッチング素子(ゲートトランスファ素子)として機能する。

第１の偏光板６は、直線偏光板であって、外部から表示面３に入射するランダム偏光（楕円偏光）の光から光透過軸（以下、透過軸ともいう）に一致する直線偏光の光だけを透過させる。第１の偏光板６の光透過軸（または光吸収軸（以下、吸収軸ともいう））と後述の第２の偏光板４４（図１０を参照）の光透過軸（または光吸収軸）との交差角度は、必ずしも９０°でなくてもよい。本実施形態において、交差角度は６０°以上８０°以下に配置され、好ましくは７０°に配置される。

液晶表示パネル５は、複屈折制御（Electrically Controlled Birefringence；略称ＥＣＢ）型であり、液晶層２に電界が印加されていない初期配向状態で、液晶分子が第１および第２の基板１０，２８の互いに対向する各表面と平行になるように水平配向処理を施したものを用いる。この液晶表示パネル５に印加する電圧を徐々に高くしていくと、ある閾値電圧を超えたときに液晶分子は第１および第２の基板１０，２８の各表面に対して徐々に立ち上がり始め、規定値以上の高電圧で分子配向方向は各基板１０，２８の各表面に対して垂直になる。

前述のように、液晶は屈折率異方性媒質であり、液晶分子の配向軸方向（Ｘ軸）の光波と、液晶分子の配向軸と直交方向（Ｙ軸）の光波では、進行速度が異なり、換言すると、Ｘ軸とＹ軸とでは光波の屈折率が異なる。Ｘ軸の屈折率（ｎｘ）とＹ軸の屈折率（ｎｙ）との差を複屈折率Δｎ（＝ｎｘ−ｎｙ）という。

液晶層２に入射し、それから出射した光波は、Ｘ軸とＹ軸で速度が違うため、Ｘ軸とＹ軸で位相がずれ、この位相のずれを位相差またはリタデーション（Retardation）という。ここで、入射光の波長をλ、液晶層２の厚さをｄ、複屈折率をΔｎとすると、位相差δは、前述の式（１）と同様な式（２）によって表わされる。また、Δｎ・ｄ（ｎｍ）でも表される。
δ＝２・π・Δｎ・ｄ／λ …（２）

垂直配向（Vertical Alignment；略称ＶＡ）方式は、ＥＣＢ方式とは逆に、初期配向状態の液晶分子の配向方向が第１および第２の基板１０，２８の表面と垂直（垂直配向）となるような配向膜を配置し、電界が印加されることによって液晶分子を傾け、複屈折率Δｎを変化させる。

本件発明者は、複屈折制御型であって、ノーマリブラックの液晶表示装置１ｂにおいて、液晶層２の位相差が第１の１／２波長板７の位相差（１／２波長である。例えば、波長が５５０ｎｍである場合、第１の１／２波長板７で約２７５ｎｍの位相差となる。本実施形態では２７０ｎｍ）の１／２よりも小さい場合（例えば、本実施形態では１１０ｎｍ）に、ノーマリブラックの色味（黒さの程度）が良好である（真黒に近い）ことを見出した。そして、この液晶表示パネル５に付加される第１の１／２波長板７の遅相軸を所定の方向に配置することによって、ノーマリブラックの色味を改善することができることを見出した。

本件発明者は、ノーマリブラックの視認性が改善されていることを確認するために、実施例２および比較例２の液晶表示装置サンプルを作製し、液晶層２の位相差値を、実施例２では１１０ｎｍ、比較例２では１４０ｎｍとし、コニカミノルタジャパン株式会社製の分光測色計「ＣＭ−２６００ｄ」を用いて、黒表示の反射率、白表示の反射率、反射コントラスト比を計測した。第１の偏光板６として、日東電工株式会社製、製品名「ＴＥＧ１４６５ＤＵＨＣ」の偏光板を使用した。また、第１の１／２波長板７として、日本ゼオン株式会社製、製品名「ゼオノアフィルム」の位相差値が２７０ｎｍを使用した。

実験の結果、実施例２では、黒表示の反射率が０．５８％、白表示の反射率が１７．５％、反射コントラスト比が３０：１であった。これに対して比較例２では、黒表示の反射率が３．７％、白表示の反射率が１７％、反射コントラスト比が４．６：１となり、黒表示において良好な視認性が得られることが確認された。このような実験によって、液晶層２の位相差を第１の１／２波長板７の位相差の１／２よりも小さくすると、表示品位の高い黒レベルにすることができ、黒表示の視認性を向上することが確認された。ただし、第１の１／２波長板７の位相差の１／４よりも小さい場合、例えば、液晶層２の位相差値を６５ｎｍとすると、表示色は青色がかった黒表示となり、黒表示の視認性が低下する傾向であった。したがって、液晶層２の位相差は、第１の１／２波長板７の位相差の１／４以上１／２よりも小さいことが好ましい。

液晶層２の位相差は、１／４波長板として機能する。第１の１／２波長板７および液晶層２から出射した円偏光は、広帯域の円偏光となる。ただし、液晶層２から出射した円偏光は、光反射層４で反射されると、回転方向が逆転した円偏光となる。

図８および図９をも参照して、液晶表示パネル５を表示面３側から見たとき、すなわち液晶分子の電界無印加時の初期配向方向（＝ラビング方向）に直交する方向を基準軸（＝０°）とし、その基準軸から各軸までの反時計まわりの角度を遅相軸の角度とすると、第１の偏光板６の吸収軸の角度θｐ１は１°である。第１の１／２波長板７の遅相軸の角度θｆ１は１５８°（位相差値Δｎｄ＝２７０ｎｍ）である。

第１の１／２波長板７の遅相軸と電界無印加時の液晶分子の配向軸とは交差角度α１で交差している。第１の１／２波長板７の遅相軸と電界無印加時の液晶分子の配向軸との交差角度α１は、５３°以上７８°以下に配置され、好ましくは６８°に配置される。これによって、表示品位の高い黒レベルの黒表示が得られ、ノーマリブラックの色味（黒さの程度）を改善することができる。

次に、液晶表示装置１ｂの表示について説明すると、外部から液晶表示装置１ｂの表示面３の側に入射したランダム偏光（楕円偏光）の光ａ１は、第１の偏光板６によって直線偏光（直線偏光ａ２とする）となる。直線偏光ａ２は、第１の１／２波長板７と液晶層２を通過すると広帯域の円偏光（円偏光ａ３とする）となる。

液晶層２に電界が印加された状態では、液晶層２の位相差が０となるので、第１の１／２波長板７と液晶層２とを通って直線偏光ａ４となり、光反射層４で反射される。その直線偏光ａ４の反射光ｂ３は、再び液晶層２と第１の１／２波長板７とを通過し、第１の偏光板６の偏光方向と同じ、直線偏光ｂ４となり、白表示となる。

また、液晶層２に電界が印加されない状態では、液晶層２を通過し、広帯域の円偏光ａ３となり、広帯域の円偏光ａ３のまま光反射層４で反射されて反射光ｂ１となる。円偏光の反射光ｂ１は、再び液晶層２と第１の１／２波長板７とを通過し、第１の偏光板６の偏光方向に直交する直線偏光ｂ２となり、ノーマリブラックの色味、すなわち表示品位の高い黒レベル、いわゆる黒浮きが抑制された黒表示を得ることができる。

図１０は本発明の他の実施形態の液晶表示装置を示す断面図であり、図１１は液晶表示装置の電界無印加時および電界印加時の動作を説明するための図であり、図１２は液晶表示装置の軸配置を示す図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の液晶表示装置１ｃは、液晶表示パネル５の反表示面４３側に配置される第２の偏光板４４と、液晶表示パネル５と第２の偏光板４４との間に配置される１／４波長板４５および第２の１／２波長板５１とをさらに備え、液晶表示パネル５の反表示面４３の側から入射した光を透過させる光透過部４６が液晶層２に設けられ、いわゆる半透過型（光反射部と光透過部との双方を備える）の液晶表示装置として実現される。基本的には、反表示面４３側にバックライト装置は不要であるが、あってもよい。

１／４波長板４５は、その遅相軸と電界無印加時の液晶分子の配向軸とが直交するので、位相差を打ち消すことができる。このように液晶表示パネル５と第２の偏光板４４との間には、液晶表示パネル５の側から順に１／４波長板４５および第２の１／２波長板５１が設けられる。また第２の１／２波長板５１の遅相軸と第１の１／２波長板７の遅相軸とは、９０°以上１１０°以下の交差角度で交差している。

次に、液晶表示装置１ｃの表示について説明すると、液晶表示パネル５は、反表示面４３側から入射した光を透過させる光透過部４６を液晶層２に有するので、液晶層２に電界が印加されていない状態では、液晶表示パネル５の反表示面４３の側から入射した光は、第２の偏光板４４によって直線偏光ｃ１となるが、この直線偏光ｃ１は、第２の１／２波長板５１および１／４波長板４５を通過すると広帯域の円偏光ｃ２となる。この広帯域の円偏光ｃ２は、液晶層２および第１の１／２波長板７を通過した後、直線偏光ｃ３となる。この直線偏光ｃ３の偏光方向は、第１の偏光板６の偏光方向に直交する。これによって、直線偏光ｃ３は、第１の偏光板６から外部に出射せず、表示品位の高いノーマリブラックの黒表示が得られる、いわゆる半透過型の液晶表示装置を実現することができる。

また、液晶層２に電界が印加された状態では、反表示面４３側からの入射光は、第２の偏光板４４を通過し、直線偏光ｄ１となる。この直線偏光ｄ１の光は、第２の１／２波長板５１と１／４波長板４５とによって広帯域の円偏光ｄ２となる。この広帯域の円偏光ｄ２は、液晶層２、第１の１／２波長板７を通過して楕円偏光ｄ３となり、楕円偏光ｄ３は第１の偏光板６の偏光方向の光だけが通過して、白表示となる。

図１１および図１２をも参照して、液晶表示パネル５を表示面３側から見たとき、すなわち液晶分子の電界無印加時の初期配向方向（＝ラビング方向）に直交する方向を基準軸（＝０°）とし、その基準軸から各軸までの反時計まわりの角度を遅相軸の角度とすると、第１の偏光板６の吸収軸の角度θｐ１は１°である。第１の１／２波長板７の遅相軸の角度θｆ１は１５８°（位相差値Δｎｄ＝２７０ｎｍ）である。１／４波長板４５の遅相軸の角度θｆ２は０°（位相差値Δｎｄ＝１４０ｎｍ）であり、第２の１／２波長板５１の遅相軸の角度θｆ３は５８°（位相差値Δｎｄ＝２７０ｎｍ）、第２の偏光板４４の吸収軸の角度θｐ２は７１°である。

第１の１／２波長板７の遅相軸と電界無印加時の液晶分子の配向軸との交差角度は、４５３°以上７８°以下に選ばれ、好ましくは６８°に選ばれる。電界無印加時の液晶分子の配向軸と１／４波長板４５の遅相軸との交差角度は９０°であり、第２の１／２波長板５１の遅相軸と第１の１／２波長板７の遅相軸との交差角度（θｆ３−θｆ１）が９０°以上１１０°以下、好ましく１００°に選ばれる。さらに第１の偏光板６の吸収軸と第２の偏光板４４の吸収軸との交差角度（θｐ２−θｐ１）は、６０°以上８０°以下、好ましくは７０°に選ばれる。

これによって、黒レベルの表示品位が高いノーマリブラックの黒表示を実現することができる。

また、光透過部４６の位相差を光反射部４７の位相差よりも大きくし、液晶層２の光透過部４６と光反射部４７とをマルチギャップ化すること、すなわち液晶層２の層厚調整層を設けることができる。これによって反射表示および透過表示共に高いコントラストを実現することができる。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 液晶表示装置
２ 液晶層
３ 表示面
４ 光反射層
５ 液晶表示パネル
６ 第１の偏光板
７ 第１の１／２波長板
８ 第２の１／２波長板
１０ 第１の基板
１１ 遮光層
１２ カラーフィルタ層
１３ 共通電極
１４ 第１の配向層
１５ 柱状部
１６ 第２の配向層
１７ 透明電極

１８ 第５の層間絶縁層
１９ 第４の層間絶縁層
２０ ドレイン電極
２１ ソース電極
２２ 層間接続部
２３ 第３の層間絶縁層
２４ 第２の層間絶縁層
２５ 第１の層間絶縁層
２６ 第２のゲート絶縁層
２７ 第１のゲート絶縁層
２８ 第２の基板
２９ チャネル部
３０ 半導体層
３１ ゲート電極
４３ 反表示面
４４ 第２の偏光板
４５ １／４波長板
４６ 光透過部
４７ 光反射部
５０ 第３の１／２波長板
５１ 第２の１／２波長板

Claims (8)

1. ノーマリブラックで表示を行う複屈折制御型の液晶表示装置であって、
   液晶層を有するとともに、表示面側から入射して前記液晶層を通過した光を反射する光反射部を有する液晶表示パネルと、
   前記液晶表示パネルの前記表示面側に配置される第１の偏光板と、
   前記液晶表示パネルと前記第１の偏光板との間に、前記第１の偏光板の側から順に設けられる第１の１／２波長板および第２の１／２波長板と、を備え、
   前記液晶層は、その位相差が前記第２の１／２波長板の位相差の１／２よりも小さく、
   前記第２の１／２波長板は、その遅相軸が電界無印加時の液晶分子の配向軸と直交しており、
   前記第１の１／２波長板の遅相軸と前記第２の１／２波長板の前記遅相軸とが交差していることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記第１の１／２波長板の前記遅相軸と、前記第２の１／２波長板の前記遅相軸とは、４３°以上６３°以下の交差角度で交差していることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記液晶表示パネルは、反表示面側から入射した光を、前記液晶層を透過させる光透過部を有し、
   前記液晶表示パネルの前記反表示面側に配置される第２の偏光板と、
   前記液晶表示パネルと前記第２の偏光板との間に、前記液晶表示パネルの側から順に設けられる１／４波長板および第３の１／２波長板と、をさらに備え、
   前記１／４波長板の遅相軸と前記第２の１／２波長板の前記遅相軸とは、９０°で交差しており、
   前記第３の１／２波長板の遅相軸と前記第１の１／２波長板の遅相軸とは、８８°以上１０８°以下で交差していることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示装置。
4. 前記光透過部の位相差は、前記光反射部の位相差よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の液晶表示装置。
5. ノーマリブラックで表示を行う複屈折制御型の液晶表示装置であって、
   液晶層を有するとともに、表示面側から入射して前記液晶層を通過した光を反射する光反射部を有する液晶表示パネルと、
   前記液晶表示パネルの前記表示面側に配置される第１の偏光板と、
   前記液晶表示パネルと前記第１の偏光板との間に設けられる、第１の１／２波長板と、を備え、
   前記液晶層は、その位相差が前記第１の１／２波長板の位相差の１／２よりも小さく、
   前記第１の１／２波長板は、その遅相軸が電界無印加時の液晶分子の配向軸と交差していることを特徴とする液晶表示装置。
6. 前記第１の１／２波長板の前記遅相軸と、前記電界無印加時の液晶分子の配向軸とは、５３°以上７８°以下の交差角度で交差していることを特徴とする請求項５に記載の液晶表示装置。
7. 前記液晶表示パネルは、反表示面側から入射した光を、前記液晶層を透過させる光透過部を有し、
   前記液晶表示パネルの前記反表示面側に配置される第２の偏光板と、
   前記液晶表示パネルと前記第２の偏光板との間に、前記液晶表示パネルの側から順に設けられる１／４波長板および第２の１／２波長板と、をさらに備え、
   前記１／４波長板の遅相軸と電界無印加時の液晶分子の配向軸とは、９０°で交差しており、
   前記第２の１／２波長板の遅相軸と前記第１の１／２波長板の遅相軸とは、９０°以上１１０°以下で交差していることを特徴とする請求項５または６に記載の液晶表示装置。
8. 前記光透過部の位相差は、前記光反射部の位相差よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。