JPH05188367A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 視角特性を改善し、表示品位が向上する液晶
表示装置を提供する。 【構成】 一対の透明基板６，７間に分子の長軸方向が
螺旋状に約９０°ねじれるように配向させたツイステッ
ドネマティック液晶層１３を介在した液晶表示素子４
を、一対の偏光板２，３間に配置して構成される液晶表
示装置１において、前記一対の偏光板２，３のうち少な
くとも一方偏光板２と前記液晶表示素子４との間に一軸
延伸位相差フィルム５を配置し、前記位相差フィルム５
は、フィルムの厚み方向の屈折率が平面方向の屈折率と
異なり、かつ平面方向においても屈折率の異方性をもつ
３次元位相差フィルムであり、偏光板２の透過軸方向２
４と位相差フィルム５の延伸軸方向２６との成す角度を
１０°以下に選ぶ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＴＮ（ツイステッドネ
マティック）モードの液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＴＮモードは、低電圧、低消費電力、長
寿命などの特徴をもつ液晶表示装置を作成できるため、
最も広く用いられている。ＴＮ型液晶表示装置は、図８
（１）に示すように、２枚の対向する基板３１，３２の
間にネマティック液晶を介在させ、液晶分子の長軸方向
が基板面にほぼ平行でかつ基板間で連続的に９０°ねじ
れた配列となるように、基板３１，３２の表面に形成さ
れる配向膜３１ｃ，３２ｃの配向方向３３，３４が直交
するように形成する。前記基板３１，３２は、図８
（２）に示すようにガラスなどの透明基板３１ａ，３２
ａの表面に透明電極３１ｂ，３２ｂおよび配向膜３１
ｃ，３２ｃを形成して成る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ＴＮモードの液晶表示
装置では、液晶分子が屈折率の異方性（以下、複屈折
性）をもち、また図８に示すように基板面に対して一定
の角度θをもつ。したがって、人間の液晶表示装置を見
る角度によってコントラストが変化するいわゆる視角特
性を有する。一般に、電圧の無印加時に光が透過して白
色表示となるノーマリホワイトモードの場合、電極に電
圧を印加した状態で液晶表示装置の真上（基板面に対し
て垂直方向）から見ると、図２の実線Ｌ１，Ｌ２に示す
ように、印加電圧値が高くなるにつれて光の透過率が低
下し、飽和すると透過率がほぼ零となり、それ以上印加
電圧を上げても透過率は零のままである。

【０００４】しかしながら、図８に示すように、電圧無
印加時において９０°ねじれている液晶分子のうち中央
分子３５の傾いている方向（以下、正視角方向）に視角
を傾けていくと、図２において実線Ｌ１，Ｌ３，Ｌ５に
示すように、印加電圧が高くなるにつれて透過率が低下
してゆき、特定の電圧値を超えると透過率は再び高くな
り、その後再び徐々に低下するという現象が生じる。こ
のため、視角を正視角方向に傾けていくと、特定の角度
以上で画像の白黒が反転する（以下、反転現象とい
う）。これは、液晶分子が傾いているために視角によっ
て屈折率が変化するために生じる現象である。

【０００５】つまり、印加電圧が零または比較的低電圧
のときは正視角方向３６に位置する観測者３７には、図
９（１）に示すように、中央分子３５は楕円に見える。
徐々に印加電圧を高くしていくと、中央分子３５が電界
方向に移動していき、図９（２）に示すように、観測者
３７には中央分子３５が真円に見える瞬間がある。さら
に電圧を高くしていくと、中央分子３５は電界方向にほ
ぼ平行となり、再び観測者３７には中央分子３５が楕円
に見える。

【０００６】また同様の理由から、正視角方向３６以外
の視角方向においても、透過率−電圧特性は異なるた
め、反転現象は生じないが、視角を深くしていくと、白
黒のコントラスト比が低くなるという視角特性をもつこ
ととなる。このようにＴＮモードの液晶表示装置におい
ては、視角特性をもつのが普通であり、特に正視角方向
で見られる反転現象は見る人にとって大変障害となり、
その液晶表示装置の表示性能そのものを疑わせる結果と
なる。

【０００７】上述のＴＮモードの液晶表示装置における
特有の現象を改善する技術として一般に知られているも
のには、星電器が（ＳＩＤ ９１ ＤＩＧＥＳＴ ２
７．７Ｐ５５５）発表しているものがある。これは、ア
クティブマトリックス型の液晶表示装置において、１絵
素を構成する表示電極を内側と外側とに２分割し、各電
極に印加される電圧値を制御し、内側電極に対応する液
晶分子と外側電極に対応する液晶分子との状態を変える
ことによって視角特性の改善を図るものである。

【０００８】しかしながら、上記技術は、アクティブマ
トリックス型の液晶表示装置に限られ、また電極のパタ
ーンそのものを変えることとなり、製造工程が複雑にな
り、さらに駆動方法も複雑になるという欠点がある。

【０００９】本発明の目的は、視角特性を改善し、表示
品位が向上する液晶表示装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、一対の透明基
板間に分子の長軸方向が螺旋状に約９０°ねじれるよう
に配向させたツイステッドネマティック液晶層を介在し
た液晶表示素子を、一対の偏光板間に配置して構成され
る液晶表示装置において、前記一対の偏光板のうち少な
くとも一方偏光板と前記液晶表示素子との間に一軸延伸
位相差フィルムを配置し、前記位相差フィルムは、フィ
ルムの厚み方向の屈折率が平面方向の屈折率と異なり、
かつ平面方向においても屈折率の異方性をもつ３次元位
相差フィルムであり、偏光板の透過軸と位相差フィルム
の遅相軸もしくは進相軸との成す角度を１０°以下に選
ぶことを特徴とする液晶表示装置である。

【００１１】

【作用】本発明に従えば、ツイステッドネマティック型
の液晶表示素子を一対の偏光板間に配置して構成される
液晶表示装置において、少なくとも一方偏光板と液晶表
示素子との間に一軸延伸位相差フィルムを配置する。こ
の位相差フィルムは液晶表示素子の光の入射側に配置し
てもよいし、光の出射側に配置してもよいし、また入射
側および出射側の両方に配置してもよい。前記位相差フ
ィルムは、フィルムの厚み方向の屈折率が平面方向の屈
折率と異なり、かつ平面方向においても屈折率の異方性
をもつ３次元位相差フィルムである。また位相差フィル
ムは、位相差フィルムの遅相軸もしくは進相軸と偏光板
の透過軸との成す角度が１０°以下になるように配置さ
れる。

【００１２】上述の表示の反転現象という視角特性を改
善するためには、液晶分子のもつ縦方向（基板面に対し
て垂直方向）の屈折率を視角によらず一定にすればよい
と考えられる。すなわち、正視角方向で考えると、液晶
表示装置の真上（基板面に対して垂直方向）から視角を
深くしていくに従って縦方向の屈折率の異方性（Δｎ）
が、「大」→「０」→「大（逆方向）」と変化するもの
を相殺すればよい。したがって本発明では、前記液晶分
子の屈折率の異方性を相殺するために、厚み方向に屈折
率の異方性をもつ位相差フィルムを用いる。

【００１３】このように、厚み方向に屈折率の異方性を
もった３次元位相差フィルムを用いることによって、液
晶表示素子の厚み方向に生じる屈折率の異方性を相殺す
ることができる。

【００１４】

【実施例】図１は、本発明の一実施例である液晶表示装
置１の構成を示す斜視図である。液晶表示装置１は、一
対の偏光板２，３間に液晶表示素子４を介在し、さらに
偏光板２と液晶表示素子４との間に位相差板５を配置し
て構成される。すなわち、液晶表示装置１に対して光は
矢符１５方向から（偏光板３側から）入射され、偏光板
２から出射されるので、液晶表示素子４の光の出射側に
位相差板５が配置されている。

【００１５】液晶表示素子４は、ガラスなどから成る一
対の透明基板６，７の対向する表面にそれぞれＩＴＯ
（インジウム錫酸化物）などから成る透明電極８，９を
形成し、さらにその表面に配向膜１０，１１を形成し、
基板間隔を一定に保つためのスペーサ１２を介在して貼
合わせ、ツイステッドネマティック液晶層１３を注入し
てシール材１４にて封止して構成される。透明電極８，
９は、セグメント型、単純マトリクス型、アクティブマ
トリクス型のいずれの型であってもよい。

【００１６】ツイステッドネマティック液晶層１３とし
ては、メルク・ジャパン社製の「ＭＬＣ−２００１」を
用い、基板６，７間において分子の長軸方向が螺旋状に
約９０°ねじれるように配向処理を施す。

【００１７】液晶分子のねじれ方向は、光の入射方向１
５の上流側で、すなわち出射側から見て、矢符１６に示
すように反時計まわりに旋回する。すなわち、透明基板
７上の配向膜１１の配向方向は矢符２３に示されてお
り、基準方向２１から４５°回転している。また透明基
板６上の配向膜１０の配向方向は矢符２２で示されてお
り、基準方向２１から時計まわりに４５°回転してい
る。ここで基準方向２１とは、図１の手前側すなわちい
わゆる６時方向に液晶表示装置１の観測者が位置した場
合の３時−９時方向を示している。これによってツイス
テッドネマティック液晶層１３の分子は、前述したよう
に反時計まわり方向に９０°ねじれる。

【００１８】配向膜１０，１１には、日本合成ゴム株式
会社製のポリイミド樹脂を用い、配向処理としてはナイ
ロン繊維を織込んだ布を用いてラビング処理を行った。
また基板６，７間の間隔は、前述したプラスチックビー
ズなどから成るスペーサ１２を用いて５．０μｍに設定
した。

【００１９】本実施例では、液晶表示装置１は電圧無印
加時において光を透過して白色表示を行ういわゆるノー
マリホワイト表示を行う。したがって偏光板２，３は、
その透過軸方向２４，２５が、それぞれ透明基板６，７
の配向膜１０，１１の配向方向２２，２３と平行となる
ように配置する。

【００２０】さらに、液晶表示装置１では、液晶表示素
子４と偏光板２との間に位相差板５を配置する。位相差
板５は、高分子化合物を一軸延伸して形成され、その延
伸軸方向２６は偏光板２の透過軸方向２４と一致するよ
うに設置する。偏光板５としては、日東電工株式会社製
のＮｚ板（位相差板）を用いた。このＮｚ板は、レター
デーション値Ｒｅ＝４５１ｎｍ、Ｎｚ（ｚ軸方向の屈折
率）＝０．５のものを用いた。

【００２１】図２は、液晶表示装置１の印加電圧−透過
率特性を示すグラフである。図２において、液晶表示装
置１を真上から見たときの特性曲線が実線Ｌ１，Ｌ２で
示されている。また液晶表示装置１を正視角方向に４０
°傾けた位置から見たときの特性曲線が実線Ｌ１，Ｌ
３，Ｌ４で示されており、また位相差板５を配置しない
従来の液晶表示装置を正視角方向に４０°傾けた位置か
ら見たときの特性曲線がＬ１，Ｌ３，Ｌ５で示されてい
る。

【００２２】液晶層１３に電圧を加えていくと液晶分子
が図９に示すように電界方向と平行になるように移動し
ていき、これを正視角方向から観察すると、液晶表示素
子４の厚み方向の屈折率の異方性（Δｎ）が一旦は減少
し、特定の電圧にて屈折率の異方性が「０」となり、さ
らに電圧を加えると屈折率の異方性が再び増加する。

【００２３】そこで、この屈折率の異方性を補償するよ
うな厚み方向に屈折率の異方性をもった位相差板５を液
晶表示素子４上に配置することによって、液晶の屈折率
の異方性の変化を補償し、反転現象の起こる視角をより
大きくし、視野角を改善することができる。

【００２４】ただし、位相差板５として用いられる高分
子化合物の一軸延伸フィルムは、通常、フィルムの平面
方向にも屈折率の異方性をもっており、その延伸軸（光
学軸）方向を、偏光板の透過軸方向もしくは吸収軸方向
に合わせて設置しなければ、光の各波長によって位相差
が生じて、光の出射側に配置される偏光板２を透過する
光が波長によってばらつきをもつこととなり、液晶表示
装置１が着色することとなる。

【００２５】図２に示すように、液晶表示装置１を正視
角方向に傾けて見たときの、高印加電圧値の透過率の再
上昇の幅が従来の場合に比べて少なく抑えられている。
これによって反転現象の発生およびコントラスト比の低
下が改善される。また従来に比べて反転現象の起こる角
度が大きくなり、したがって液晶表示装置１の視野角が
拡大される。

【００２６】一般に無機結晶、液晶、位相差フィルムの
ような光学異方体は、３次元方向の屈折率が一様でない
ことに特徴がある。位相差フィルムのような高分子成形
体においてこのような異方性が発生する原因について説
明する。高分子を形成するモノマーユニットは、たとえ
ば図３に示すように、たとえばポリエチレンの場合、分
極率に異方性を有している。しかしながらこのポリマー
が糸まり状のままでは、その分極率のベクトルが任意の
方向に分布するため全体としての異方性は表れない。こ
のポリマーを成形する過程で分子鎖に応力が加わると、
モノマーユニットが統計的に特定の方向に配向し、これ
によって屈折率に異方性が表れる。

【００２７】このような光学異方体は、３次元方向の屈
折率ｎｘ，ｎｙ，ｎｚによる屈折率楕円体（図４参照）
で記述される。なお、図４に示す楕円体は下記の数１に
示される関係式を満たす。

【００２８】

【数１】Ｘ²／ｎｚ²＋Ｙ²／ｎｙ²＋Ｚ²／ｎｘ²＝１ 複屈折現象は、この屈折率楕円体を特定の方向（通常、
Ｚ軸方向）から見た場合の２次元面内での屈折率差に関
する現象である。液晶表示素子や位相差フィルムでのレ
ターデーション値（Δｎ・ｄ）は、屈折率楕円体をＺ軸
方向から観察し、Ｚ＝０の平面と楕円体とが交わる楕円
での複屈折率Δｎ＝ｎｘ−ｎｙに、異方体の厚さｄを乗
じた値である。

【００２９】ところが、この楕円体を別の方向から観察
すると、図４から明らかなように、その複屈折（ｎｂ−
ｎａ）が変化するとともに、その光路長が変化するた
め、位相差は、Ｚ軸方向から見た場合と異なる値となる
ことが予想される。

【００３０】一例として、ＸＺ平面内でＺ軸から角度θ
傾斜した方向から見た複屈折（Δｎｘｚ）を、スネルの
法則を考慮して近似的に計算すると、下記の数２および
数３で表される。

【００３１】

【数２】Δｎｘｚ＝ｎｘ・ｎｚ・ｎ／(ｎｘ²ｓｉｎ²θ-ｎ
ｚ²ｓｉｎ²θ+ｎ²・ｎｚ²)^1/2−ｎｙ

【００３２】

【数３】 Ｒｘｚ＝Δｎｘｚ・ｄ（１−ｓｉｎ²θ／ｎ²）^1/2 ここでｎは平均屈折率を表し、Ｒｘｚは位相差を表して
いる。

【００３３】図５は、特定の一軸配向体についてＺ，Ｙ
軸方向に傾斜して見た際の位相差を、傾斜角θに対して
計算してプロットしたグラフである。図５に示すように
位相差は角度θとともに変化し、傾斜方位によってその
挙動も異なることが判る。また、これらの光軸以外の方
向への傾斜においては図５の中間の変化を示すことが確
認された。

【００３４】以下、光軸方向による傾斜に着目して説明
する。通常の高分子フィルムの延伸にて形成される位相
差フィルムでは、ｎｘ＞ｎｙ≧ｎｚ（等号は、完全一軸
延伸の場合）であり、その視角方向はｎｙ＝ｎｚのとき
が最も小さく、２軸配向性が強くなる程（ｎｙ＞ｎ
ｚ）、傾斜に伴う位相差変化が大きくなってしまう。す
なわち、１枚の位相差フィルムでは、図５の一軸配向体
より視角変化の小さいフィルムは得られない。この視角
特性を計算上で改良するには、厚さ方向の屈折率ｎｚを
Ｙ軸方向の屈折率ｎｙより大きくすればよいことが理解
される。

【００３５】シミュレーションの結果、下記の数４を満
足したときに最も視角変化が小さいことが確認された。

【００３６】

【数４】（ｎｘ＋ｎｙ）／２＝ｎｚ 以上のように本実施例によれば、視角特性が改善され、
かつ視野角が拡大される液晶表示装置１を提供すること
ができる。また、本実施例では位相差板５の延伸軸方向
２６と偏光板２の透過軸方向２４とが一致するように設
置したけれども、延伸軸方向２６と透過軸方向２４との
成す角度が±１０°以下の範囲内であれば、同様の効果
が得られることが確認された。

【００３７】図６は、本発明の他の実施例を示す斜視図
である。本実施例では、位相差板５を液晶表示素子４と
偏光板３との間に配置している。位相差板５の延伸軸方
向２６は偏光板３の透過軸方向２５と一致している。本
実施例においても、前述の実施例と同様の効果が得られ
る。また位相差板５は、液晶表示素子４の一方側だけに
限らず両側にそれぞれ配置するようにしてもよい。

【００３８】図７は、本発明のさらに他の実施例を示す
斜視図である。本実施例では、位相差板５ａ，５ｂの各
延伸軸方向２６ａ，２６ｂを偏光板２，３の各吸収軸方
向２７，２８に一致するように配置したことである。位
相差板は図７に示すように液晶表示素子４の両側に設け
てもよいし、またいずれか一方のみであってもよい。ま
た前述と同様に位相差板の延伸軸方向と偏光板の吸収軸
方向との成す角度は±１０°の範囲内であればよい。本
実施例においても前述の実施例と同様の効果が得られ
る。

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、厚み方向
に屈折率の異方性をもった３次元位相差フィルムを用い
ることによって、液晶表示素子の厚み方向に生じる屈折
率の異方性を相殺することができる。これによって、従
来の技術に関連して述べた液晶表示素子における反転現
象に起因するコントラスト比の低下が改善される。また
白黒表示におけるコントラスト比が向上し、表示品位が
格段に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である液晶表示装置１の構成
を示す斜視図である。

【図２】液晶表示装置１の印加電圧−透過率特性を示す
グラフである。

【図３】本発明の動作原理を説明するための図である。

【図４】本発明の動作原理を説明するための図である。

【図５】本発明の動作原理を説明するための図である。

【図６】本発明の他の実施例を説明するための斜視図で
ある。

【図７】本発明のさらに他の実施例を説明するための斜
視図である。

【図８】液晶表示装置における視角特性を説明するため
の図である。

【図９】液晶表示装置における反転現象を説明するため
の図である。

【符号の説明】

１ 液晶表示装置 ２，３ 偏光板 ４ 液晶表示素子 ５ 位相差板 １０，１１ 配向膜 １３ ツイステッドネマティック液晶層 ２２，２３ 配向方向 ２４，２５ 透過軸方向 ２６ 延伸軸方向 ２７，２８ 吸収軸方向

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の透明基板間に分子の長軸方向が螺
   旋状に約９０°ねじれるように配向させたツイステッド
   ネマティック液晶層を介在した液晶表示素子を、一対の
   偏光板間に配置して構成される液晶表示装置において、 前記一対の偏光板のうち少なくとも一方偏光板と前記液
   晶表示素子との間に一軸延伸位相差フィルムを配置し、 前記位相差フィルムは、フィルムの厚み方向の屈折率が
   平面方向の屈折率と異なり、かつ平面方向においても屈
   折率の異方性をもつ３次元位相差フィルムであり、 偏光板の透過軸と位相差フィルムの遅相軸もしくは進相
   軸との成す角度を１０°以下に選ぶことを特徴とする液
   晶表示装置。