JPH02154226A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、コントラスト、色調などの表示特性に優れた
液晶表示装置に関するものである。

従来の技術 近年、液晶表示装置は薄型・軽重という特長にヨリ、パ
ーソナル・コンピュータ、ワードプロセッサなどの端末
表示や、薄型テレビなどの映像表示に用いられている。

低コストの単純マトリクス構成で大容量表示を行なう液
晶表示装置としては、液晶分子のねじれ角を１８０°〜
２７０°程度のものとした、いわゆるスーパー・ンイス
テンドネマテ４　ｙり（Ｓｕｐｅｒｔｗｉｓｔｅｄ　ｎ
ｅｍａＬｉｃ）型（以下ＳＴＮ型と略記）の液晶表示装
置があったが、このＳＴＮ型液晶表示装置には複屈折モ
ードの使用に伴う着色という欠点が存在し、近年、白黒
表示を目指した研究開発がさかんとなっている。その中
でもっとも表示特性に優れ、将来的に有望と考えられる
ものは、ＳＴＮ液晶層に色消し用の光学補償液晶層を付
加して、夜晶層を２層としたものである。

以下、図面を参照しながら、上述した従来の液晶表示装
での例について説明する。

第９図ζよ、従来の２層式液晶表示装置の構成断面図を
示すものである。第９図において、７４はＳＴＮ型の液
晶層で表示パターンに応じた信号電圧が印加される。７
８は光学補償用の液晶層で、液晶の屈折率異方性（Δｎ
）とセル層（ｄｌの積ΔｎＸｄ、および液晶分子のねじ
れ角は上記の液晶層とほぼ等しいが、逆のねしれ構造を
持った液晶層が通常は用いられる。２つの液晶層７４．
７８は互いの液晶分子の長袖がその界面でほぼ直交する
ように配置されている。また、７１．８０は偏光板、８
３は光源、７３．７５は表示用の信号電圧を印加するた
めの１掻である。

以上のように構成された液晶表示装置について、以下そ
の動作の説明をする。

まず、信号電圧が印加されない場合について考える。光
源８３より発せられた光は、偏光板７１を通過して直線
偏光となる。次に、この光は液晶層７４を通過するが、
この液晶層７４には複屈折性があるので、入射した直線
偏光は液晶層内で楕円偏光に変えられて出射される。こ
の時、この出ｑ・１楕円偏光の状態は光の波長によって
異なっており、この位置に第２の偏光板を配置しても、
光の波長により透過率が異なり表示に色付きが生じてし
まう、光学補償用の液晶層７８はこの楕円偏光状態の波
長依存性を打ち消すために付加されたもので、第１の液
晶層７４を通過して楕円偏光となった光は、これとは逆
ねじれの液晶層７８を通過することにより偏光状態が補
償され、すべての波長において元の直線偏光に戻される
。従って、偏光板８０の偏光軸をこの直線偏光と直交す
るように配置すれば、信号電圧の印加されない場合には
すべての波長において光は全く透過せず、黒状態を達成
することができる。上記の黒状態は、液晶分子のねじれ
角、セル厚、液晶分子の配向方向と偏光板の偏光軸のな
す角度には係わらない。

一方、信号電圧印加時には、上記の偏光状態の捕（１関
係が保たれな（なり、光が透過するようになる。この場
合、白表示を得るためにはある特定の条件が必要であり
、液晶分子のねじれ角、セル厚、液晶分子の配向方向と
偏光板の偏光軸のなす角度などのパラメータは、この白
状態が良好なものとなるような値に設定されている。こ
の場合、選択画素においては、偏光状態は完全な直線偏
光ではなく、また若干の波長依存性を持っているが、表
示用と光学補償用の２つの液晶層の波長依存性が不完全
ながらも打ち消しあう方向にあることと、白表示におい
ては若干の波長依存性や楕円偏光成分の存在は黒表示に
おけるほど影響がないことにより、実際の表示では良好
な白表示を得ることができる。

この結果、ＳＴＮ型液晶表示装置における良好な時分割
特性をそこなうことな（、大表示容量で良好な白黒表示
を行なうことができる。（例えば、日経マイクロデバイ
ス１９８７年１０月号７９〜８８ページ） 発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のような構成では、液晶層が２層必要
なため、製造工程の複雑化や材料費の増加により製品価
格が上昇するという問題点や、２層目の液晶パネルの分
だけ表示装置の厚みと重量が増加するという問題点を有
していた。

本発明は上記問題点に鑑み、薄型・軽量で表示品位が高
く、かつ、安価な液晶表示装置を提供することを目的と
している。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するために本発明の液晶表示装置は、内
向の最大屈折率を与える方向が深さ方向に対して一定で
ない固体層からなる光学補償板を備えたものである。

作用 本発明は上記した構成により、従来１案されている２層
式液晶パネルの光学補償用液晶層のかわりに、フィルム
等よりなる固体層を光学補償板として用いて液晶層に起
因する偏光状態の波長依存性を補償することを特徴とし
ている。これにより、従来構成における光学補償用の液
晶層が不要になったため、 （１）光学補償用の液晶パネルを製造するための材料・
工数が不要となり、材料費が安く量産性に優れたフィル
ムを用いるため、積層などの構造をとったとしても総合
的にはコスト低減が図れる。

（２）　　フィルム１枚当りの厚さは数ミクロン−数十
ミクロンであるので、積層した場合でもその厚み・重量
は、２枚のガラス基板を用いた光学補償用の液晶パネル
よりは薄くて軽いので、液晶表示装置の薄型・軽量化が
図れる。

（３）偏光板に挟まれる表示用の液晶パネルと光学補償
板の総厚みが液晶２層式に比べて低下するので、視角特
性が向上する。

（４）複屈折フィルムの異方性の組合せにより光学１１
ｉ償板の設計の自由度が大きく拡大し、各種モードの液
晶パネルへの適合や、視角による色変化の減少など所望
の特性への適合の可能性が増大する。

（５）複屈折フィルムは、特に大面積の場合において液
晶層よりも厚み制御が行ないやすく、大型パネルへの適
合性が良い。

（６）複屈折フィルムによる光学補償板はフレキシブル
であり、表示用の液晶パネルに貼り付けやすいので、液
晶パネルと光学補償板との間の空気層をなくすことがで
き、多重反射が減少してコントラストや透過率が向上す
る。

（７）　　フィルム層と偏光板との積層による一体化が
可能なため、コストや製造工数の一層の低減が図れる。

などの効果が生じる。この結果、白黒表示・高コントラ
ストな表示特性を有し、安価で薄型・軽量な液晶表示装
置を徒供することができる。

実施例 以下本発明の一実施例の液晶表示装置について、図面を
参照しながら説明する。

（実施例１） 第１図は本発明の第１の実施例における液晶表示装置の
斜視図を、第２図はその構成断面図を示すものである。

第１図、第２図において、１と８は偏光板であり、入射
光のうち特定の偏光面を持つ直線偏光成分を通過させる
という特性を持つ。

９は液晶パネルであり、液晶層４とそれを挟む電極層３
，５、および基板２．６からなっている。

電極層３．５は、酸化インジウムを主成分とし５〜１０
％程度の酸化スズが添加された透明導電体よりなり、互
いに直交するストライプ状のパターンをとっており、マ
トリクス状に配置された画素部分の液晶Ｎ４に電圧を印
加する役割を果す、液晶層４は、１５０°〜３６０°程
度、望ましくは１８０’〜３００′の間のねじれ角を持
つＳＴＮ型液晶である。７は固体層であり光学補償板と
して働く、また、第３図は固体層７の構成を示す斜視図
であり、図中のＦ、、Ｆ２．Ｆ、・・・・・・Ｆ、は複
屈折性を持つフィルム１２〜１５についてその面内で屈
折率が最大となる方向を示している。第３図（ａ）に示
すＦ、、、Ｆ２．Ｆ、・・・・・・Ｆ、を有するフィル
ム１２〜１５を第３図（ｂ）のように積層することによ
り、固体層７は構成されている。なお、添字は液晶層に
近い方から１．２、・・・・・・、Ｊとなっている。

次に、第４図は光の進行径路中の各構成要素の配置を定
義するもので、水平方向を基準軸となし、光の進行方向
に向かって反時計回りを正として、偏光板２１．２８の
偏光軸の角度Ｐ、、Ｐ２、液晶層２４の入射側の分子長
軸の角度φ。、固体層２７に関しては前述したＦ、、Ｆ
、、Ｆ３・・・・・・Ｆ。

の角度φ８．φ２．φ３・・・・・・φ、が定められて
いる。なお、Ω。は液晶層の分子のねじれ角である。

また、第１表は上記の表記法により本実施例における各
層の配置例を示したものである。

（以　下　余　白　） 上記の構成になる液晶表示装置は、例えば以下のように
作製することができる。まず、液晶パネル９を以下のよ
うにして作製する。フォトリングラフイー法を用いてＭ
ＪＩｉ、２．６の上に所定のバクーンの電極層３，５を
形成した後、基板２，６、および電極層３．５の液晶層
４と接する界面に、液晶分子を基板表面で所望の方向と
チルト角で配向させるための配向処理を行う。配向処理
の方法としては、基板に塗布・硬化されたポリイミドの
ラビングや、二酸化ケイ素の斜方蒸着などを用いること
ができる０以上の処理がなされた基ｖｉ２６に、ガラス
やプラスチック類のスペーサーを散布し、エポキシ系の
樹脂よりなるシール材を用いて両基板の周辺部を貼り合
わせ、１％程度のカイラル材料（メルク社製５８１１）
を添加したネマティンク液晶（例えばメルク社製Ｚｌｌ
−２２９３）を注入し、注入口を封止して液晶パネル９
を作製する。

また、光学補償板として働く固体層７には一軸延伸され
た高分子フィルムを積層したものを用いることかできる
。この場合、フィルムは光学的には一軸性を示し、その
屈折率は延伸方向で最大となる。この一軸延伸フィルム
は、例えば、以下に示す手順によって作製することがで
きる。まず、ポリビニルアルコールのフィルムを８０−
１５０’Ｃ程塵に加熱し、延伸して所望のΔｎＸｄの値
を有するフィルムを作製する。延伸の後、温度や２２度
に対する安定化や機械強度の補強のため例えばセルロー
ストリアセテートなどのフィルムと粘着材などで貼り合
わせれば、以後のフィルムの取り扱いは楽なものとなる
。この補強用のフうルム層は偏光状態に影響を及ぼさな
い光学的に等方なものが最も望ましいが、ΔｎＸｄの値
がポリビニルアルコール層の２％以下である場合には実
用上問題とはならない、そうでない場合は、この層の影
響をも考慮してフィルム配置を検討する必要がある。

次に、所定の配置となるように前記のフィルム（あるい
は複合フィルム）を粘着材で貼りあわせて固体層７を得
る。なお、ポリビニルアルコールと補強用のフィルムが
あらかじめ貼り合わせられた複合フィルムを延伸したも
のを用いても同様に固体層７を得ることができる０以上
のようにして作製された固体層７を液晶パネル９に粘着
材で固定し、さらに偏光板１．８を粘着材で貼り合わせ
て液晶表示装置が作製される。

以上のように構成された１夜品表示装置について、以下
、第５図と第６図を用いてその動作を説明する。

本発明になる液晶表示装置は、液晶層４を通過した後の
偏光状態の波長依存性を計算、あるいは実験によって求
め、この波長依存性を打ち消すようにフィルムを配置し
たものである。第５図は、第１表の番号１の構成をとる
液晶表示装置について、液晶層に電圧が印加されない場
合に、液晶表示装置の各構成要素を通過した光の偏光状
態の波長依存性を示すものであり、右回り円偏光を此種
に、左回り円偏光を南極にとったポアンカレ球を北橿方
向の無限遠点からみたものである。この場合、赤道（図
中の円周）が直線偏光に、北半球が右回りの楕円偏光に
、南半球が左回りの楕円偏光に対応しており、球上の緯
度が高くなるほど即ち図中の点が中心に近づくほど、偏
光の楕円率が大きくなり偏光状態は円偏光に近いものと
なっている。また、ポアンカレ球の経度は楕円偏光の方
位角の２倍に対応している。方位角の基準は第４図にお
ける水平方向に、経度の基準は第５図における０点にと
った。第５図においては、北半球の点を実線で、南半球
の点を破線で表しである。第１図に示す構成の液晶表示
装置において、光ａｌＯより発せられて偏光板ｌを通過
した後の光の偏光状態は、第５図（ａＪに示すように波
長に拘らずある偏光面を持つ直線偏光となっているが、
この光が液晶パネルを通過することにより、その偏光状
態は（ｂ）に示すように大きな波長依存性を持つように
なる０本実施例においては、１層目のフィルムはこの偏
光状態の分布を図上でほぼ直線的な分布とするように働
き、１１目のフィルム通過後の偏光扶、鵠の波長依存性
はｒｃ）に示すものとなる。２Ｍ目のフィルムは、図上
でほぼ直線的な分布を持つようになった光を、ある偏光
面を持つ直線偏光の周辺に集めるように働き、２層目の
フィルム通過後の偏光状態は（ｄｌに示すものとなる。

このような特性を持つ光学的補償板７は、従来の２層式
液晶表示装置における光学補償用液晶層の特性をそのま
ま近似したものではなく、表示用液晶パネルの波長依存
性を軽減・補（Ｈしたものであるので、出射光は入射光
と異なった偏光状態となっている。従って、ノーマリ−
ブラック表示を行なう場合にも出射側の偏光板８の偏光
軸は入射側の偏光板１の偏光軸と必ずしも直交するわけ
ではなく、出射光の偏光面にほぼ直交するように配置さ
れる。（ｄ）に示す偏光状態は、完全に一点には集まっ
てはおらずわずかに波長依存性を示すが、その波長依存
性は（ｄ）に比べれば格段に小さく、また視感度の高い
波長５５０ｎｍ付近の光は十分に直線偏光とされるので
、実用的に十分な黒表示を行なうことができる。第６図
は、本発明になる液晶表示装置の透過率の波長依存性を
示すものである。ｌ／２００デユーティ−の駆動条件の
もとで、コントラスト約１２の良好な白黒表示を得るこ
とができた。第１表に示す番号２のものについても同様
に良好な特性を得ることができた。また、第１表の番号
３に示す例のように３枚のフィルムを用いた場合にも良
好な特性を得ることができた。これらの場合に、ΔｎＸ
ｄが０．０５目ｍ程度以下のフィルムを追加しフィルム
や偏光板の配置を調整することにより表示特性をさらに
向上させることもできるが、一方でフィルム枚数の増加
は製造コストの上昇をまねくので、フィルムの追加は１
枚または２枚程度に留めるのがよく、総フィルム枚数は
２枚以上４枚以下が好ましい。

以上のように本実施例によれば、少なくとも１枚の光学
的主軸は他のものの光学的主軸と異なった方向に配置さ
れた複数の複屈折フィルムからなる光学補償板を備える
ことにより、良好な白黒表示で、軽量・安価な液晶表示
装置を得ることかできる。

なお、本実施例では固体層７は、液晶パネル９の観察者
側に配置するものとしたが、これは逆の側に配置しても
同様の効果を得ることができる。

また、液晶表示装置は光源１０を備えたものとしたが、
これは反射鏡などにより外光を利用する構成としてもよ
い。

また、フィルムの配置も第１表に示すものに限られるも
のではなく、フィルムの配置を本実施例に示すものとは
異なるように設定しても同様の効果を得ることができる
場合がある。さらに、偏光板１，８や各フィルムの配置
をやや変化させて、表示特性を微調整することもできる
。

（実施例２） 次に、本発明の第２の実施例について説明する。

第１表に示された偏光板、液晶層、フィルムの配置から
、第１図における偏光板！または８のいずれか一方の偏
光軸を９０”回転させると、電圧無印加時に明状態とな
るノーマリ−ホワイトモードとなる。しかし、この配置
では黒表示時の透過率がやや高いためコントラストが不
十分であるので、この配置から偏光板１，８の両者また
は一方の偏光軸を１０°程度ずらすことにより、良好な
ノーマリ−ホワイト型の表示を行なうことができた。

本実施例は、第１のものに比べてややコントラストは劣
るものの、表示輝度を高いものとすることができる。

（実施例３） 次に、本発明の第３の実施例について図面を参照しなが
ら説明する。第７図は、第１図の液晶表示装置の液晶層
にカラーフィルター層４１を付加したものである。本実
施例においても、第１または第２の実施例と同様にして
光学補償を行なうことができ、加法γ昆色効果により良
好なフルカラー表示、あるいはマルチカラー表示を行な
うことができた。

（実施例４） 次に、本発明の第４の実施例について図面を参ｐ、１Ｉ
（Ｌながら説明する。第８図は、第１Ｉ２Ｉにおける光
ｆｉｌＯのかわりに反射板６０を設け、反射型の液晶表
示装置としたものである。本実施例においても、通過型
のものと同様の原理で光学補償を行なうことができるが
、光源を備えていない反射型の場合には表示を明るくす
ることが透過型の場合に比べて重要であり、これには第
１表の配置からやや偏光板やフィルムの角度をずらすこ
とや、ノーマリ−ホワイト表示を行なうことが有効であ
った。第２表は本実施例になる液晶表示装置の偏光板・
液晶層・フィルムの配置を示すものであり、番号１〜３
はノーマリ−ブラック表示の、番号４〜６はノーマリ−
ホワイト表示の例を示している。

（以　下　余　白） ノーマリ−ブラック表示の場合にはわずかに紫がかった
黒の背景に白色の表示が、ノーマリ−ホワイト表示の場
合にはやや黄味を帯びた白の背景に黒の表示が行なわれ
るが、着色は小さいものであり、いずれの場合において
も実用上十分に良好な表示特性であった０反射型の液晶
表示装置は、比較的安価なポータプル型の表示端末とし
て用いられることが多いため、本発明の特長である軽量
性と製造コストの低さは透過型のものよりなお生かされ
ることとなる。

なお、第１．第２および第３の実施例において、固体層
７，３７と液晶層４，３４と光＃１０゜４０とは、観察
者から見て固体層・液晶層・光源の順に並んでいるもの
としたが、これは光源を固体層の側に配置して、固体層
の方から光を入射して液晶層の方から観察するような構
成としても本発明の効果はなんらかわりな（発揮される
。しかし、第４の実施例の反射型液晶表示装置において
固体層の総厚みが０．５１程度以上となる場合には、２
重像の発生を避けるため、観察者から見て固体層・液晶
層・反射板の順に配置する方が望ましい。

上記の実施例においては、一軸延伸された高分子フィル
ムによって光学補償板として働く固体層７が構成される
ものとしたが、これは一軸延伸された高分子フィルムに
限られるものではなく、光学的な異方性を有するフィル
ムであれば同様の効果をｊすることができ、例えば２軸
あるいはそれ以上の延伸軸を持つフィルムや、配向処理
により異方性を有するフィルム（例えばセロハン）を用
いてもよい、また、一軸延伸された高分子フィルムには
ポリビニルアルコールを用いたが、これもポリビニルア
ルコールに限られるものではなく、例えばポリエーテル
サルフォン、ポリエステル、ポリカーボネート、セルロ
ーズアセテート、液晶ポリマなどを用いることもできる
。また、光学補償板を構成するフィルムの配置や液晶層
４・偏光板１．８の配置も上記の実施例に示すものに限
られるわけではなく、本発明になる構成を用いた別の配
置の中にも液晶層の光学特性の波長依存を補償・軽減し
良好な表示特性が得られる場合もある。

また、上記の実施例においては、光学補償板を構成する
固体層の最大屈折率の方向を深さによって変える方法と
して複屈折フィルムの粘着材による貼り合せを行なった
が、これは複屈折フィルムの融着を行なったり、引き上
げ法により光学的異方性を与えられたフィルムを引き上
げ方向を順次変化させて形成することなどでも作製でき
る。

液晶層についても上記実施例ではＳＴＮ型としたが、こ
れはＳＴＮ型に限定されるものではなく、ねじれ角が９
０”程度のツィステッド・ネマティック型、誘電異方性
が正または負のネマティンク液晶を用いるＥ　ＣＢ　（
Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＢｉ
ｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）型、カイラルスメクティック
液晶を用いる強誘電性液晶などにおいてもコントラスト
の向上、色調の改善、視角特性の向上などに利用するこ
七ができる。さらにパネル構成についても、ストライブ
１掻によるマトリクス状に配列された画素を有する場合
に限定されるものではなく、８の字状の数字や種々の図
形の形をした画素よりなるセグメント型の電極を有する
場合や、各画素にスインチング素子を設けたアクティブ
マトリクス型のパネル構成の場合にも本発明を適用する
ことができる。

発明の効果 以上のように本発明は、面内の最大屈折率を与える方向
が深さ方向に対して一定でない固体層を液晶層に積層し
て設けることにより、白場あるいは色付きの少ない良好
な表示で、視角が広く、軽量・安価な液晶表示装置を得
ることができる。

サラに、液晶パネルにカラーフィルタ層を付加した構成
をとることにより、良好なカラー表示をｉ３ることもで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における液晶表示装置の構成
を示す斜視図、第２図は本発明の一実施例における液晶
表示装置の構成を示す断面図、第３図は固体層の構成を
示す斜視図、第４図は液晶層・フィルム層と偏光板の光
学軸の配置を示す斜視図、第５図は液晶層とフィルム層
の中での偏光状態の変化を示す特性図、第６図は透過率
の波長依存性を示す特性図、第７図と第８図は本発明の
他の実施例における液晶表示装置の構成を示す断面図、
第９図は従来例の液晶表示装置の構成を示す断面図であ
る。 １．８．２１．２８．３１．３Ｂ、５１．５８゜７１８
０・・・・・・偏光板、４．２４．３４．５４７４・・
・・・・液晶層、７，２７，３７．５７・・・・・・固
体層、２．６，３２．３６，５２．５６．７２゜７６．
７７．７９・・・・・・基板、３．５，３３．３５゜５
３　５５　７３．７５・・・・・・電極層、１０．３０
゜４０．８３・・・・・・光源、９，３９，５９．８１
液晶パネル、１１・・・・・・給電手段、１２．１３゜
１４１５・・・・・・フィルム、４１・・・・・・カラ
ーフィルター層、６０・・・・・・反射板、７８・・・
・・・光学補償用液晶層、８２・・・・・・光学補償用
液晶パネル。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか１名ｊ γ 第 図 Φ シ俣晶、ｉ Ｃ＼ 区 大 一イ ンコ 図 第 図 シ火 （ｎｍ） ｑ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）液晶パネルと、前記液晶パネルに積層され、かつ
   、面内の最大屈折率を与える方向が深さ方向に対して一
   定でない固体層と、これらを挟む偏光板とを備えたこと
   を特徴とする液晶表示装置。
2. （２）固体層が、少なくとも１枚の光学的主軸の向きが
   他と異なるように配置された複数の複屈折性フィルムを
   含んでいる請求項（１）記載の液晶表示装置。
3. （３）ねじれ角が１５０度以上のネマティック液晶層を
   有する液晶パネルを用いた請求項（１）記載の液晶表示
   装置。
4. （４）複屈折性フィルムの枚数が２枚以上４枚以下であ
   る請求項（２）記載の液晶表示装置。
5. （５）屈折率の異方性と厚みの積が０．２μｍ以上のフ
   ィルムを少なくとも１枚用いた請求項（２）記載の液晶
   表示装置。
6. （６）一軸延伸された高分子フィルムを用いた請求項（
   ２）記載の液晶表示装置。
7. （７）ポリビニルアルコールのフィルムを用いた請求項
   （２）記載の液晶表示装置。