JPS63279229A - 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、遮光膜を形成したネガ型表示を行なう液晶表
示装置に関するものである６［従来の技術］ 従来、自動車の計器類、あるいは時計等の表示に用いら
れている液晶表示装置は、暗い表示面に明るい文字、図
形などの表示を行うネガ型表示が多く採用されている。

ネガ型液晶表示装置は、表示部分以外の背景部分では液
晶層に電圧が印加されていないため、液晶分子がねじれ
ており、これに沿って光がねじれて進み、一対の偏光膜
の偏光軸を並行させて配置することにより、背景部分で
光が透過しないようにされている。しかし１通常のこの
ネガ型液晶表示装置の背景部分では、光が液晶層中をね
じれて進む際に、偏光度が低下するため、ある程度特定
の色の光が透過してきてしまい、コントラストが不十分
である問題点があった。

この問題を解決するために、表示部分以外の背景部分に
遮光膜を形成し、さらに通常のポジ型液晶表示装置の場
合と同様に、液晶に電圧を印加しない状態で透過してく
るように偏光膜を配置するネガ型表示装置が提案されて
いる。この表示装置は、表示部分のうち、所定の表示パ
ターン部（以下透光セグメントという）には液晶分子が
立ち上るしきい値電圧以下の電圧を印加し光を透過させ
、所定の表示パターン以外の表示部（以下、遮光セグメ
ントという）には、しきい値電圧以上の電圧を印加し光
を遮光してネガ型表示を行なう形の液晶表示装置が提案
されている。（特開昭６０−１６２２２７号）この表示
装置においては、遮光セグメント部は液晶分子の基板に
対して立ち上がっているため、基板に対して垂直方向が
液晶分子の光軸方向となり、この方向から見る限りにお
いては液晶分子は複屈折性を示さない。従って、偏光板
の偏光軸を直交してはりあわせた場合と等しい遮光度が
得られるため、１０００以上という極めて高いコントラ
スト比を得ることができる。

［発明の解決しようとする問題点］ しかしながら、この遮光セグメント部を斜め方向から見
ると、液晶分子が複屈折性を示すことにより、光がもれ
、遮光が不十分になる。この光のもれは、特定の方向に
おいて低角度になるに従い増加し、コントラスト比の低
下により視認性が悪くなる。また、背景部と遮光セグメ
ント部の萌るさが大きく異なり、遮光セグメント部と透
光セグメント部の明るさの違いが小さくなるため、表示
内容を誤認する恐れがあるという問題点があった。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、前述の問題点を解決すべくなされものであり
、電極を設けた基板間にネマチック液晶層を挟持し、表
示パターンに対応する部分以外には遮光膜を設け、液晶
セルの両面に偏光膜の偏光軸を電圧無印加部分で光が透
過してくるように一対の偏光膜を配置し、所望の表示パ
ターン以外の表示パターン部分の電極に前記ネマチック
液晶が励起する以上の電圧を印加するネガ型表示の液晶
表示装置において、一対の偏光膜の間に、光学弾性軸の
３方向のうち、最も屈折率の小さい値を示す方向を基板
垂直方向に向けた光学素子を配置したことを特徴とする
液晶表示装置を提供するものである。

本発明を図面を参照しつつ説明する。

第１図は１本発明のネガ型表示のねじれネマチック液晶
表示装置の基本的な例の断面図を示す。

第１図において、ＩＡは基板であり、２Ａはその上に形
成された電極であり、さらにその−Ｌには配向膜３Ａが
形成されている。一方、他方の基板１８には、その上に
電極２Ｂ、表示パターン以外の部分に遮光膜４、それら
の上に配向膜３Ｂが形成されている。これらの２枚の基
板の電極面が相対向するように配置して、周辺をシール
材５でシールし、内部にネマチック液晶を注入して液晶
層６を形成して液晶セルを形成する。

この液晶セルの両面には、一対の偏光膜７Ａ、７Ｂが配
置され、その偏光軸は、通常のポジ型表示の液晶表示素
子の場合と同様に電圧を印加した部分で光が遮断される
ようにされている。また、基板ｌ＾と偏光板７Ａの間に
光学弾性軸の３方向のうち、最も小さい屈折率を示す方
向を、基板垂直方向に向けた光学素子８を配置する。

具体的には、はぼ９０°のねじれになるように配向膜を
形成し、液晶の分子が電圧を印加しない状態でほぼ９０
°ねじれた状態にし、偏光膜の偏光軸は、それぞれの配
向方向と平行または直交するように配置すれば良い。即
ち、偏光膜の偏光軸は相互にほぼ９０°になるように配
置される。

もっとも、この配向方向を９０°としても、液晶のねじ
れを９０″でなく、２７０°や４５０＠　としてもよい
し、配向方向を正確に９０°とせずに、８５′　とか＋
００°とかしてもよい。また、偏光軸と配向方向との角
度も平行または直交に限られなく、それから少しずらせ
て５′とか８５°とかしてもよい。

本発明で使用される光学素子８は、−軸性か二軸性の光
学異方性をもつ光学素子を用いる。

通常のネマチック液晶材料は、正の光学異方性を有して
いるので、それによって生じる複屈折を打ち消すために
、この光学異方性を表す屈折率楕円体の主軸方向（光学
弾性軸）の３方向のうち、最も小さい値をもつ方向を基
板垂直方向へ向ける。もし、液晶材料の光学異方性が逆
に負であるならば、光学素子の最も大きい屈折率を示す
方向を基板垂直方向とすれば同様の効果がある。

光学素子としては、−軸性の光学異方性を示すものが望
ましいが、二軸性の光学異方性をもつ素子でも効果があ
る。二軸性の光学素子を使用する場合には、光軸の開き
角がなるべく小さいものを選ぶのが望ましく、９０°以
上のものは効果が小さくなる。また、その配置ｎとして
は基板垂直方向以外の２つの光学弾性軸が、偏光膜の偏
光軸とほぼ平行にすることが望ましい。これが平行から
ずれると、基板垂直方向から見た場合に光学素子のもつ
複屈折により、遮光セグメント部において光が透過しコ
ントラストが低下するとともに、透光セグメントにおい
ても着色するという問題点がでてくる。厚みは、光学素
子の光学異方性Δｎ６と厚みｄｃの積が、液晶材料の光
学異方性Δｎｃと液晶層ｄ、の厚みの積Δｎ１・ｄ＋に
対して、はぼ等しいことが最も効果があり、その比が０
．５からり、Ｓの範囲にあれば、コントラストの角度変
化を低減する効果がある。

具体的には、液晶の光学異方性と厚みの積Δｎ１・ｄ、
は０．３μｍから０．７μｍの範囲にあることが望まし
い。八〇、・ｄｌが０．３μｍ以下になると、式（１）
で現わされる透光セグメントの透過率が小さくなり、着
色したり非常に暗くなる。

λ：光の波長 また、Δｎ１・ｄ、が大きくなると、後に作用の項での
べるように、コントラストの角度依存性が低下するため
、０．７μｍが限度である。実用的な一値としては、例
えばΔｎ＋＝０．０８７　、　ｄ＋＝５．５　μｔａで
あり、八〇、・ａ、＝０．４８μｍである。この場合の
光学素子のΔｎ６・ｄｃは、絶対値で０．２４から０．
７２μｍが望ましい。

光学素子としては、結晶を切断、研磨して用いてもよく
、またプラスチックフィルムで上述の光学異方性をもつ
ものを選択して用いると、大きな面積のものが安価に得
ることができる。この目的には、ポリサルホン、ポリカ
ーボネイト、ポリエーテルサルホン、三酢酸セルローズ
、アクリル等のフィルムが用いられる。これらのフィル
ムは、キャスティング、押し出し等の成形時に熱によっ
て生じる歪のため、面内方向と面垂直方向に複屈折をも
つ。特定の熱処理によって、上述の光学異方性を付与で
きる。また、単独で用いてもよく、上述の光学異方性を
全体としてもつように、同種、又は異種のフィルムを数
枚重ね合わして用。

いてもよい。

この光学素子は、水平方向の面内での屈折率の差は少な
いほどよく、垂直方向との屈折率の差の１７６以下、特
に、！／！０以下とされることが好ましい。

このため、水平方向の面内の屈折率の差がある場合には
、これを２枚以上に分割し、これらを相互に直交するよ
うに配置して、水平方向の面内での屈折率の差を打ち消
すようにすることが好ましい。

また、同様の効果を得る方法としては、第２図に示すよ
うに、前述の光学異方性を示す単結晶を基板上に所定の
厚みまで育成して光学素子を形成してもよい。また、プ
ラスチック等を塗布して同様の効果を得ることができる
。

また、第３図に示すように、前述の光学異方性を示す材
料を直接基板として用いてもよい。

この際に使用する基板としては、ガラス、プラスチック
等の材料を、熱処理あるいは化学的処理等で内部応力を
発生させ、光弾性効果によりできる複屈折を利用し、同
様の効果を得ることもできる。また、第４図に示すよう
にこれらの光学素子を、偏光膜の支持体として使用して
光学素子付偏光ＩＩ！ｌｌ０Ａ、　ＩＯＢとしてもよい
。第３゜４図においては２枚の基板としてまたは２枚の
偏光膜の支持体として光学素子を用いた例を示したが、
この際の厚みは、２枚の合計の厚みが前述の範囲内には
いるようにする。もちろん一方にのみを用いてもよいこ
とは明らかである。

光学素子の光軸の方向については、液晶層に充分電界が
印加でき、液晶分子が基板に対しほぼ垂直まで立ち上っ
ている場合には、基板に対して垂直でよいが、マルチフ
レックス駆動、その低駆動回路上の制限により充分高い
電圧が印加できない場合には、光軸を傾ける方が好まし
い。ただし、この角度が３０＠以上になる場合には、遮
光セグメントの着色が激しくなり、コントラストを充分
に高いものが得られないので避ける。また、その配置方
向としては、液晶セルの主視角方向と、光学素子の光軸
の傾き方向とを一致するように配置する。

配向膜は、ポリイミド、ポリアミド、ポリビニルアルコ
ール等の有機高分子、５ｉｎｓ、ＴｉＯ□、ＡｌｘＯｓ
等の無機材料による膜をラビングしたり、斜め蒸着した
りした液晶を配向させる配向膜であればよく、必要に応
じて、１層でも良いし、２層としてもよい。

本発明の遮光膜は、液晶セルの内面に設けてもよいし、
外面に設けてもよく、その光透過率は０．０２〜１．０
層程度とされる。もつとも、液晶セルの内面側に遮光膜
を形成する方が斜め方向から見た場合に表示パターンと
遮光膜との位置ずれを生じにくく好ましい。

この遮光膜は、表示の背景部分に形成されるものであり
、通常は一方の基板にのみ形成されればよい。もちろん
両方の基板に分割して形成されてもよいが、一方の基板
に形成するほうが工程が少なく生産性がよいに の遮光膜は、透明電極と絶縁膜を介してアルミ、ニッケ
ル、クロム等の金属性遮光膜を蒸着、メッキ等で形成し
たり、カーボンペースト等の遮光性インクを印刷等で形
成したりして形成されればよい。

シール材は、通常のエポキシ樹脂、シリコン樹脂等のシ
ール材でよく、通常はその一部に開口部を形成しておき
、セル化して後、その開口部から液晶を注入し、その開
口部を封止すればよい。

注入する液晶は、通常のネマチック液晶でよく１通常は
ほぼ９０°のねじれを有しているが、前述の如く、２７
０°や４５０′ねじれとなるようにカイラル物質を添加
してあってもよい。

このほか、カラーフィルタ一層を基板の内面または外面
に形成したり、基板を偏光膜基板としたり、基板の外面
にタッチスイッヂ、紫外線カツトフィルター、無反射フ
ィルターをも１層したりしてもよく１本発明の効果を損
しない範囲内で通常の液晶表示素子に適用しつる技術を
適用してもよい。

本発明では、全体としてはネガ型表示であるが、電極へ
の電圧の印加は、ポジ型表示と同様に行う。

即ち１表示部分のうち、光を透過させる透光セグメント
においては、液晶分子が立ち上るしきい値以下の電圧を
印加し、遮光セグメントにおいては、しきい値電圧以上
の電圧を印加する。電圧の印加の方法については、各セ
グメントを個別駆動してもよいし、また複数のセグメン
トを共通の信号で駆動するマルチプレックス駆動を用い
てもよい。

通常は、裏面の偏光膜の背後に、照明手段を設けて使用
するが、背後に反射板を設置し、正面からの光を利用し
て表示を行なってもよい。

また照明手段と、半透過半反射板を設置し、背面と正面
の両方の光を利用する装置としても本発明は適用できる
。

また、液晶中にネガ型、あるいはポジ型の二色性色素を
添加することでさらに高いコントラストを広い視野角で
得ることができる。

［作用］ 本発明における光学素子の役割を説明する前に、従来例
における遮光セグメント部において、低角度から見た場
合に光がもれコントラストが低下する理由を説明する。

第５図（ａ）に示すように、Ｚ軸を基板垂線方向、２枚
の偏光膜の偏光軸＋１Ａ、ＪＩＢをそれぞれ、Ｘ軸、ｙ
軸方向とする。充分に電界が印加された状態では液晶分
子はほぼＺ軸方向に向いている。この液晶中を第５図（
ｂ）で示される角度で光が進む場合の光の透過率を計算
する。液晶の屈折率を分子軸方向でｎ、１分子軸に直角
方向でｎｏ　（ｎｏ＞　ｎｏ）とすると、複屈折△ｎは
となる。この複屈折によって生じる位相差は、液晶層の
厚さをｄｌとして となり、この場合の透過率は １＝ｓｉｎ”２ψｓｉｎ”　（ａ　／２）　　　　−−
（４）となる。θ＝０においては、Δｎ＝ｏであるため
複屈折性を示さないがθが大きくなるに従い、八〇は大
きくなり、透過率が増す。この現象はψ＝４５°、１３
５°、２２５　＠、　３１５　＠で最も顕著になる。

この複屈折をなくすには、（３）式の位相を打ち消す位
相差を加えてやればよい、この位相差を与える位相板と
して、光学異方性が液晶と逆の符号をもつ結晶等の位相
板を光軸方向に切り出したものを用いる。この光学素子
の常光、異常光の屈折率を００″、ｎ、′とし、Δｎｃ
・ｎａ’−ｎａ′とすると、その厚みをｄ、とした場合
、第５図（ｂ）で示される角度方向において生じる位相
差βはｎｏ”　ｎｍ′ △　　”””’　　−（ｎｏ”Ｓｆｎ”　　　（３＋　
　ｎａ　１２ＣＯ８”　　θ　ｌ””２π　　　、ｄｏ β＝□・△ｎ・□　　　　−−−（６）λ　　　　　　
　　　　ＣＯ８θ となる。（１θも屈折率の大きさにより変化するが、変
化は小さいとして無視した。）α＝βとなるには △ｎａｄｅ＝Δｎ＋ｄ＋　　　　　　　　−−−（７）
となればよい。この場合には、ある一定角度における液
晶層のつくる位相差αと光学素子のつくる位相差βが大
きさにおいてほぼ等しく、その消光方向は同じであるが
、早い軸と遅い軸が逆になるため、位相はお互いに打ち
消し合い、複屈折性を示さなくなる。その差が位相差の
半分を越えると、その効果は小さくなる。すなわち、 の範囲に入っていることが望ましい。

上記式では、光学素子の水平方向の面内での屈折率を一
定とした好ましい例で示したが、３方向で屈折率が異な
る。即ち、水平方向での方向によって屈折率が異なる場
合には完全な補正はできないが、前述の如く屈折率が最
大または最小の方向を垂直方向とすることにより、かな
りの補正が可能となる。

液晶分子が充分立ち上がらない電圧で駆動する場合にお
いても電圧印加時の液晶分子の平均的な光軸方向と、光
学素子の光軸方向を一致させるように配置すれば、同様
に広い角度で高いコントラストをもつ表示装置が得られ
る。

［実施例］ （比較例） 第１図で光学素子８のみを除いた構成で、液晶としてΔ
ｎｌ＊０．０８７のメルク社製ＺＬＩ−２９７８−００
０゜偏光膜として日東電工社製Ｇ１２２０［１ｕ、セル
間隙は５．７ｐｍ、従ってΔｎ１　ｊ　ａｔ−ｏ、５ｏ
　ｕｎとした。

遮光膜はセル内面に形成し、カーボンインクによる印刷
で厚さ約２μｍ、光の透過率約０．３％とした。また、
駆動電圧はＩＯＶとした。この素子においてコントラス
ト比２００以上を示す角度は、中心から視角方向で３０
°まで、反視角方向で８°、左右方向は１５°程度まで
であった。これ以上の低角度では、遮光膜部分より遮光
セグメント部の透過率が高くなり、表示品位がおちると
ともに、表示内容を見誤まる恐れがある。

実施例１ 比較例と同様のセルを用い、偏光膜と基板との間に、０
．１９ｍｍ厚の三酢酸セルローズのフィルム（富士写真
フィルム社ＣＭ：商品名「フジタ。

り」）を３枚、光学弾性軸と偏光軸が平行になるように
配置した。三酢酸セルローズの複屈折を測定すると、面
垂直方向と面内方向では８Ｘ１０−４、面内の２方向間
では８　Ｘ　１０−’の複屈折を示し、二軸性の光学異
方性をもつことがわかった。３枚の光学素子のΔｎｃ・
ｄ、は０．４５６μｍとなり、△ｎ＋−ｄ＋　とほぼ等
しくなる。その屈折率は面垂直方向で１．４７８９％面
内方向では１．４７９７であり、面垂直方向の屈折率が
最も小さい。

このセルをＩＯＶで駆動したところ、コントラ　　゛ス
ト比２００以上を示す角度は中心から視角方向３０°ま
で、反視角方向で１０°までと比較例とほぼ同じである
が、左右は３０″″まで開かり視認性が改良された。

実施例２ 比較例と同様のセルを用い、偏光膜と基板との間に、厚
さ７０μｍのポリサルホンのフィルム（東し社製トレス
ロン−ＰＳ）を４枚、光学弾性軸と偏光軸が平行になる
ように配置した。

このセルをＩＯＶで駆動したところ、コントラスト比２
００以上を示す角度は中心から視角方向３０°まで１反
視角方向でｌＯｏまでと比較例とほぼ同じであるが、左
右は２５°まで開かり視認性が改良された。

このポリサルホンフィルムを偏光顕微鏡によるコノスコ
ープ像を用いて観察したところ、負の二軸性の光学異方
性をもち、屈折率の最も小さい軸をフィルム面垂直方向
に向けていることがわかった。

実施例３ 比較例と同様のセルを用い、偏光膜と基板との間に、０
．３５ｍｍ厚の三酢酸セルロースフィルム（富士写真フ
ィルム社製：商品名フジタック）を２枚配置した。この
フィルムは、面内方向にＩ　Ｘ　１０−’の複屈折をも
つが、２枚のフィルムの屈折率の大きい軸がお互いに直
交するように重ね合わすと、はぼ−軸性の光学異方性を
示し、面内方向と垂直方向のみに、６．４　Ｘ　１Ｇ−
’の大きさの複屈折率を示し、面垂直方向の屈折率が最
も小さい６△ｎ０・ｄｃは２枚のフィルムを合せて０．
４５μｍとなる。

このセルをＩＯＶで駆動したところ、実施例１と同様の
視認性をもち、比較例に比べて著しく改良されているこ
とが確認された。

［発明の効果］ 本発明では、液晶層の示す複屈折性によって生じる光学
的位相差を光学素子によって打ち消すことにより、極め
て高いコントラストによる表示を広い角度範囲において
得ることができる。また、表示色もポジ型駆動のため、
角度変化が少ないという効果もあり、一枚の表示パネル
において、多種の色を表示させることが可能である。こ
のことにより、広い角度範囲で極めてよい視認性をもつ
表示が可能である。

また、本発明は、透過型表示のみならず反射型表示にお
いてもよい視認性を示すことにより外光が充分明るい場
所においても使用が可能であり、背景照明の輝度を下げ
ても視認性がよいことから１表示装置を小型にできると
いう効果もある。

また、偏光膜の支持体として光学素子を用いた場合、従
来のものに比べ、耐湿性がよくなり信頼性が高まるとい
う効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の基本的例の断面図である。 第２図は、第３図、第４図は本発明の他の実施例の断面
図である。 第５図は、本発明の詳細な説明する斜視図である。 基板　　　　　　　：ＩＡ％ＩＢ 電極　　　　　　　：　２Ａ、　２Ｂ 配向膜　　　　　　：　３Ａ、　３Ｂ 遮光膜　　　　　　＝４ シール材　　　　　：５ 液晶層　　　　　　二６ 偏光膜　　　　　　：　７Ａ、　７Ｂ 光学素子　　　　　：８ 光学素子基板　　　：９Ａ、９Ｂ 光学素子付偏光膜　：　ＩＯＡ、１０Ｂ偏光軸　　　　
　　ＣＩＩＡ、ＪＩＢ 第　１　図 第？　図 第３図 乗　４　図 第　５　図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）電極を設けた基板間にネマチック液晶層を挟持し
   、表示パターンに対応する部分以外には遮光膜を設け、
   液晶セルの両面に偏光膜の偏光軸を電圧無印加部分で光
   が透過してくるように一対の偏光膜を配置し、所望の表
   示パターン以外の表示パターン部分の電極に前記ネマチ
   ック液晶が励起する以上の電圧を印加するネガ型表示の
   液晶表示装置において、一対の偏光膜の間に、光学弾性
   軸の３方向のうち、最も屈折率の小さい値を示す方向を
   基板垂直方向に向けた光学素子を配置したことを特徴と
   する液晶表示装置。
2. （２）ネマチック液晶がほぼ９０°ねじれとされ、一対
   の偏光膜がほぼその偏光軸が直交するように配置されて
   いる特許請求の範囲第１項記載の液晶表示装置。
3. （３）前記光学素子が二軸性の光学異方性を示し、光学
   弾性軸の基板垂直方向以外の二軸が前記偏光膜の偏光軸
   とほぼ平行である特許請求の範囲第１項記載の液晶表示
   装置。
4. （４）前記光学素子の光学異方性（Δｎ＿ｃ）と厚み（
   ｄ＿ｃ）の積Δｎ＿ｃ・ｄ＿ｃが前記ネマチック液晶の
   光学異方性（Δｎ＿１）と厚みｄ＿１の積Δｎ＿１・ｄ
   ＿１に対し、その絶対値において比率が０．５から１．
   ５の範囲とされる特許請求の範囲第１項記載の液晶表示
   装置。
5. （５）裏側の偏光膜の背後に、照明手段を設けた特許請
   求の範囲第１項記載の液晶表示装置。
6. （６）ネマチック液晶に二色性色素を添加した液晶を使
   用する特許請求の範囲第１項記載の液晶表示装置。