JPWO2014024814A1 - 液晶表示装置 - Google Patents

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Abstract

液晶パネルを斜め方向から見たときの階調反転を抑制し、視野角特性に優れた液晶表示装置を提供する。
一対の基板と、一対の基板間に挟持された液晶層と、液晶層の光入射側および光射出側に配置された一対の偏光板と、を含む液晶パネルと、液晶パネルの光入射側に配置され、液晶パネルに向けて光を照射する照明装置と、液晶パネルの光射出側に配置され、液晶パネルから射出された光を液晶パネルの法線方向から見た方位角方向において拡散させる光拡散部材と、を含み、照明装置の極角輝度特性において輝度が最大輝度の1/3まで減衰するときの極角の全幅を1/3全幅としたとき、照明装置の極角方向の輝度変化が最も大きい方位角方向における照明装置の1/3全幅が60°以上である。

Description

本発明は、液晶表示装置に関する。
携帯電話機等をはじめとする携帯型電子機器、もしくはテレビジョン、パーソナルコンピューター等のディスプレイとして、液晶表示装置が広く用いられている。一般に、液晶表示装置は、表示画面を正面から見たときに優れた表示特性を発揮する。一方、表示画面を斜め方向から見たときにはコントラストが低下し視認性が悪くなりやすい。あるいは、階調表示において明るさが逆転する階調反転等が起こることがある。このため、良好な視認性で画面を観察可能な視野角範囲を広げる様々な手法が提案されている。
例えば、下記の特許文献1には、液晶セルと、光学補償偏光板と、を備えた液晶表示装置が開示されている。光学補償偏光板は、液晶セルの光入射側もしくは光射出側のうち少なくとも一方の側に配置されている。光学補償偏光板は、偏光板と、複屈折層と、散乱異方性フィルムと、を有する。
また、下記の特許文献2には、液晶表示パネルと、光拡散シートと、を備えた液晶表示装置が開示されている。光拡散シートは、液晶表示パネルの光射出側に配置されている。光拡散シートは、低屈折率領域と、高屈折率領域と、を有する。低屈折率領域は、断面形状が二等辺三角形に近似される。高屈折率領域は、低屈折率領域の周辺に配置されている。
特開2002−90527号公報 国際公開第2009/044520号
しかしながら、上記の光学補償偏光板を、ツイステッドネマチック(Twisted Nematic,以下、TNと略記する)モードの液晶表示装置に適用すると、画面縦方向の輝度の変化が大きくなるという課題がある。その原因は、TNモードの液晶表示装置は液晶分子がツイストしながら配向しており、画面を観察する角度と階調とによって液晶のリタデーションが異なるためである。また、液晶表示装置の視認側に上記の光拡散シートを配置したとしても、光を十分に拡散させることはできない。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、表示画面を斜め方向から見たときの階調反転を抑制し、視野角特性に優れた液晶表示装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用した。
(1)すなわち、本発明の一態様における液晶表示装置は、一対の基板と、前記一対の基板間に挟持された液晶層と、前記液晶層の光入射側および光射出側に配置された一対の偏光板と、を含む液晶パネルと、前記液晶パネルの光入射側に配置され、前記液晶パネルに向けて光を照射する照明装置と、前記液晶パネルの光射出側に配置され、前記液晶パネルから射出された光を前記液晶パネルの法線方向から見た方位角方向において拡散させる光拡散部材と、を含み、前記光拡散部材が、光透過性を有する基材と、前記基材の一面に形成された複数の遮光層と、前記基材の一面のうち前記遮光層の形成領域以外の領域に形成された光拡散部と、を含み、前記光拡散部が、前記基材に接する光射出端面と、前記光射出端面に対向し、前記光射出端面の面積よりも大きい面積を有する光入射端面と、前記光射出端面と前記光入射端面とに接し、前記光入射端面から入射した光を反射する反射面と、を有し、前記光拡散部の前記光入射端面から前記光射出端面までの高さが前記遮光層の層厚よりも大きくなっており、前記照明装置の極角輝度特性において輝度が最大輝度の1/3まで減衰するときの極角の全幅を1/3全幅としたとき、前記照明装置の極角方向の輝度変化が最も大きい方位角方向における前記照明装置の1/3全幅が60°以上である。
(2)本発明の一態様における液晶表示装置は、一対の基板と、前記一対の基板間に挟持された液晶層と、前記液晶層の光入射側および光射出側に配置された一対の偏光板と、を含む液晶パネルと、前記液晶パネルの光入射側に配置され、前記液晶パネルに向けて光を照射する照明装置と、前記液晶パネルの光射出側に配置され、前記液晶パネルから射出された光を前記液晶パネルの法線方向から見た方位角方向において拡散させる光拡散部材と、を含み、前記光拡散部材が、光透過性を有する基材と、前記基材の一面に形成された複数の光拡散部と、前記基材の一面のうち前記光拡散部の形成領域以外の領域に形成された遮光層と、を含み、前記光拡散部が、前記基材に接する光射出端面と、前記光射出端面に対向し、前記光射出端面の面積よりも大きい面積を有する光入射端面と、前記光射出端面と前記光入射端面とに接し、前記光入射端面から入射した光を反射する反射面と、を有し、前記光拡散部の前記光入射端面から前記光射出端面までの高さが前記遮光層の層厚よりも大きくなっており、前記照明装置の極角輝度特性において輝度が最大輝度の1/3まで減衰するときの極角の全幅を1/3全幅としたとき、前記照明装置の極角方向の輝度変化が最も大きい方位角方向における前記照明装置の1/3全幅が60°以上である。
(3)上記(1)または(2)に記載の液晶表示装置では、前記照明装置の極角方向の輝度変化が最も大きい方位角方向と、前記液晶パネルに一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向と、が概ね一致していてもよい。
(4)上記(1)ないし(3)のいずれか一項に記載の液晶表示装置では、前記照明装置の極角方向の輝度変化が最も小さい方位角方向における前記照明装置の1/3全幅が90°以上であってもよい。
(5)上記(1)ないし(4)のいずれか一項に記載の液晶表示装置では、前記光拡散部材は、前記液晶パネルから射出された光を前記液晶パネルの法線方向から見た方位角方向において異方的に拡散させて光の射出方向を制御してもよい。
(6)上記(5)に記載の液晶表示装置では、前記光拡散部材の拡散性が最も強い方位角方向と、前記液晶パネルに一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向と、が概ね一致していてもよい。
(7)上記(1)に記載の液晶表示装置では、前記遮光層が前記基材の一面に接する部分の平面形状が、少なくとも長軸と短軸とを有する異方性形状であってもよい。
(8)上記(7)に記載の液晶表示装置では、前記遮光層が前記基材の一面に接する部分の平面形状が、楕円もしくは長方形であってもよい。
(9)上記(7)または(8)に記載の液晶表示装置では、前記遮光層の短軸方向と、前記液晶パネルに一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向と、が概ね一致していてもよい。
(10)上記(7)ないし(9)のいずれか一項に記載の液晶表示装置では、前記遮光層の長軸方向の長さB1と短軸方向の長さB2との比B1/B2が1.1以上2.5以下であってもよい。
(11)上記(1)ないし(10)のいずれか一項に記載の液晶表示装置では、前記基材の法線方向から見て前記遮光層の形成領域の面積S1と前記基材の一面の面積S2との比S1/S2が0.1以上0.4以下であってもよい。
(12)上記(1)ないし(11)のいずれか一項に記載の液晶表示装置では、前記液晶パネルの表示モードがツイステッドネマチックモードであってもよい。
(13)上記(1)ないし(12)のいずれか一項に記載の液晶表示装置では、前記液晶パネルのドメイン構造がモノドメイン構造もしくはマルチドメイン構造であってもよい。
(14)上記(1)ないし(13)のいずれか一項に記載の液晶表示装置では、前記光拡散部材の光射出側に、入射した光を散乱させる光散乱部材が設けられていてもよい。
本発明の態様によれば、表示画面を斜め方向から見たときの階調反転を抑制し、視野角特性に優れた液晶表示装置を提供することができる。
第1実施形態の液晶表示装置の概略構成を示す斜視図である。 液晶表示装置の断面図である。 液晶パネルの縦断面図である。 光拡散部材を示す斜視図である。 光拡散部材の平面図である。 遮光層の平面視の大きさを説明するための図である。 (A)、(B)液晶パネルの動作を説明するための図である。 極角と方位角の定義を説明するための図である。 液晶表示装置の正面図である。 バックライトの極角輝度特性を示す図である。 (A)、(B)、(C)、(D)光拡散部材の製造工程を、順を追って示す斜視図である。 第2実施形態の液晶表示装置の断面図である。 光散乱フィルムの特性を示す図である。 第3実施形態の光拡散部材の平面図である。 (A)、(B)、(C)第4実施形態の遮光層の平面図である。 (A)、(B)第5実施形態の液晶パネルのドメイン構造を示す図である。 (A)、(B)比較例の液晶表示装置を用いたときの極角輝度特性を示す図である。 (A)、(B)実施例の液晶表示装置を用いたときの極角輝度特性を示す図である。 比較例及び実施例の液晶表示装置を用いたときの極角輝度特性を示す図である。 遮光層の形成領域の面積比を変化させたときの極角輝度特性を示す図である。 遮光層の長軸の長さと短軸の長さとの比を変化させたときの極角輝度特性を示す図である。
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について、図1〜図11(A)〜(D)を用いて説明する。
本実施形態では、透過型の液晶パネルを備えた液晶表示装置の例を挙げて説明する。
なお、以下の全ての図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
図1は本実施形態の液晶表示装置を斜め上方(視認側)から見た斜視図である。図2は液晶表示装置の断面図である。
本実施形態の液晶表示装置1は、図1及び図2に示すように、液晶パネル2と、バックライト8(照明装置)と、光拡散部材9と、を備えている。液晶パネル2は、第1偏光板3と、第1位相差フィルム4(位相差板)と、液晶セル5と、第2位相差フィルム6(位相差板)と、第2偏光板7と、を備えている。図1では、液晶セル5を模式的に1枚の板状に図示しているが、その詳細な構造については後述する。
観察者は、光拡散部材9が配置された図1における液晶表示装置1の上側から表示を見ることになる。以下の説明では、光拡散部材9が配置された側を視認側と称する。バックライト8が配置された側を背面側と称する。また、以下の説明において、x軸は液晶表示装置の画面の水平方向、y軸は液晶表示装置の画面の垂直方向、z軸は液晶表示装置の厚さ方向、と定義する。
本実施形態の液晶表示装置1においては、バックライト8から射出された光を液晶パネル2で変調し、変調した光によって所定の画像や文字等を表示する。また、液晶パネル2から射出された光が光拡散部材9を透過すると、射出光の配光分布が光拡散部材9に入射する前より広がった状態となって光が光拡散部材9から射出される。これにより、観察者は広い視野角を持って表示を視認できる。
以下、液晶パネル2の具体的な構成について説明する。
ここでは、アクティブマトリクス方式の透過型液晶パネルを一例に挙げて説明する。ただし、本発明に適用可能な液晶パネルはアクティブマトリクス方式の透過型液晶パネルに限るものではない。本発明に適用可能な液晶パネルは、例えば半透過型(透過・反射兼用型)液晶パネルであっても良い。さらには、各画素がスイッチング用薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor, 以下、TFTと略記する)を備えていない単純マトリクス方式の液晶パネルであっても良い。
図3は、液晶パネル2の縦断面図である。
図3に示すように、液晶セル5は、TFT基板10と、カラーフィルター基板12と、液晶層11と、を有している。TFT基板10は、スイッチング素子基板として機能する。カラーフィルター基板12は、TFT基板10に対向して配置されている。液晶層11は、TFT基板10とカラーフィルター基板12との間に挟持されている。
液晶層11は、TFT基板10と、カラーフィルター基板12と、枠状のシール部材(図示せず)と、によって囲まれた空間内に封入されている。シール部材は、TFT基板10とカラーフィルター基板12とを所定の間隔をおいて貼り合わせる。
本実施形態の液晶パネル2は、例えばTN(Twisted Nematic)モードで表示を行う。
液晶層11には誘電率異方性が正の液晶が用いられる。TFT基板10とカラーフィルター基板12との間には、スペーサー13が配置されている。スペーサー13は球状或いは柱状である。スペーサー13は、TFT基板10とカラーフィルター基板12との間の間隔を一定に保持する。
本発明の液晶パネル2の表示モードは上記のTNモードに限らない。例えば、VA(Vertical Alignment, 垂直配向)モード、STN(Super Twisted Nematic)モード、IPS(In-Plane Switching)モード、FFS(Fringe Field Switching)モード等を用いてもよい。これらの表示モードにおいても、配向膜のラビング方向によっては、表示画像を斜めから見たときに、階調反転が生じることがあるためである。
図示はしないが、TFT基板10には、複数の画素がマトリクス状に配置されている。画素は、表示の最小単位領域である。TFT基板10には、複数のソースバスラインが、互いに平行に延在するように形成されている。TFT基板10には、複数のゲートバスラインが、互いに平行に延在するように形成されている。複数のゲートバスラインは、複数のソースバスラインと直交している。TFT基板10上には、複数のソースバスラインと複数のゲートバスラインとが格子状に形成されている。隣接するソースバスラインと隣接するゲートバスラインとによって区画された矩形状の領域が一つの画素となる。ソースバスラインは、TFT19のソース電極17に接続されている。ゲートバスラインは、TFT19のゲート電極16に接続されている。
TFT基板10を構成する透明基板14の液晶層11側の面には、半導体層15、ゲート電極16、ソース電極17、ドレイン電極18等を有するTFT19が形成されている。透明基板14としては、例えばガラス基板を用いることができる。
透明基板14上には、半導体層15が形成されている。半導体層15の材料としては、例えばCGS(Continuous Grain Silicon:連続粒界シリコン)、LPS(Low-temperature Poly-Silicon:低温多結晶シリコン)、α−Si(Amorphous Silicon:非結晶シリコン)等の半導体材料が用いられる。
透明基板14上には、半導体層15を覆うようにゲート絶縁膜20が形成されている。ゲート絶縁膜20の材料としては、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、もしくはこれらの積層膜等が用いられる。
ゲート絶縁膜20上には、半導体層15と対向するようにゲート電極16が形成されている。ゲート電極16の材料としては、例えばW(タングステン)/TaN(窒化タンタル)の積層膜、Mo(モリブデン)、Ti(チタン)、Al(アルミニウム)等が用いられる。
ゲート絶縁膜20上には、ゲート電極16を覆うように第1層間絶縁膜21が形成されている。第1層間絶縁膜21の材料としては、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、もしくはこれらの積層膜等が用いられる。
第1層間絶縁膜21上には、ソース電極17およびドレイン電極18が形成されている。第1層間絶縁膜21とゲート絶縁膜20とには、コンタクトホール22およびコンタクトホール23が、第1層間絶縁膜21とゲート絶縁膜20とを貫通して形成されている。ソース電極17は、コンタクトホール22を介して半導体層15のソース領域に接続されている。ドレイン電極18は、コンタクトホール23を介して半導体層15のドレイン領域に接続されている。ソース電極17およびドレイン電極18の材料としては、上述のゲート電極16と同様の導電性材料が用いられる。
第1層間絶縁膜21上には、ソース電極17およびドレイン電極18を覆うように第2層間絶縁膜24が形成されている。第2層間絶縁膜24の材料としては、上述の第1層間絶縁膜21と同様の材料、もしくは有機絶縁性材料が用いられる。
第2層間絶縁膜24上には、画素電極25が形成されている。第2層間絶縁膜24には、コンタクトホール26が第2層間絶縁膜24を貫通して形成されている。画素電極25は、コンタクトホール26を介してドレイン電極18に接続されている。画素電極25は、ドレイン電極18を中継用電極として半導体層15のドレイン領域に接続されている。画素電極25の材料としては、例えばITO(Indium Tin Oxide、インジウム錫酸化物)、IZO(Indium Zinc Oxide、インジウム亜鉛酸化物)等の透明導電性材料が用いられる。
この構成により、ゲートバスラインを通じて走査信号が供給され、TFT19がオン状態となったときに、ソースバスラインを通じてソース電極17に供給された画像信号が、半導体層15、ドレイン電極18を経て画素電極25に供給される。また、画素電極25を覆うように第2層間絶縁膜24上の全面に配向膜27が形成されている。この配向膜27は、液晶層11を構成する液晶分子を水平配向させる配向規制力を有している。なお、TFT19の形態としては、図3に示したボトムゲート型TFTであっても良いし、トップゲート型TFTであっても良い。
一方、カラーフィルター基板12を構成する透明基板29の液晶層11側の面には、ブラックマトリクス30、カラーフィルター31、平坦化層32、対向電極33、配向膜34が順次形成されている。
ブラックマトリクス30は、画素間領域において光の透過を遮断する機能を有する。ブラックマトリクス30は、例えば、Cr(クロム)やCr/酸化Crの多層膜等の金属、もしくはカーボン粒子を感光性樹脂に分散させたフォトレジストで形成されている。
カラーフィルター31には、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)の各色の色素が含まれている。TFT基板10上の一つの画素電極25に、R,G,Bのいずれか一つのカラーフィルター31が対向して配置されている。なお、カラーフィルター31は、R、G、Bの3色以上の多色構成としても良い。
平坦化層32は、ブラックマトリクス30およびカラーフィルター31を覆う絶縁膜で構成されている。平坦化層32は、ブラックマトリクス30およびカラーフィルター31によってできる段差を緩和して平坦化する機能を有している。
平坦化層32上には対向電極33が形成されている。対向電極33の材料としては、画素電極25と同様の透明導電性材料が用いられる。
対向電極33上の全面に配向膜34が形成されている。この配向膜34は、液晶層11を構成する液晶分子を水平配向させる配向規制力を有している。
図1に戻り、バックライト8は、光源36と、導光体37と、を備えている。光源36は、導光体37の端面に配置されている。光源36としては、例えば、発光ダイオード、冷陰極管等が用いられる。
本実施形態のバックライト8は、エッジライト型のバックライトである。
導光体37は、光源36から射出された光を液晶パネル2に導く機能を有する。導光体37の材料としては、例えば、アクリル樹脂等の樹脂材料が用いられる。
光源36から導光体37の端面に入射した光は、導光体37の内部を全反射しつつ伝播し、導光体37の上面(光射出面)から概ね均一な強度で射出される。図示はしないが、導光体37の上面には、散乱シート及びプリズムシートが配置されている。導光体37の上面から射出された光は、散乱シートにより散乱した後、プリズムシートによって集光され、概ね平行化されて射出される。プリズムシートとしては、例えば、住友3M社製のBEF(商品名)が用いられる。
本実施形態のバックライト8は、指向性バックライトを用いていない。本実施形態のバックライト8としては、光の射出方向を制御して、指向性がある程度緩やかに設定されたバックライト(以下、低指向性バックライトと称することがある)を用いる。低指向性バックライトの輝度分布については、後述する。
バックライト8と液晶セル5との間には、第1偏光板3が設けられている。第1偏光板3は、偏光子として機能する。ここで、x軸方向の正方向を基準として反時計回りに角度を表す。すると、第1偏光板3の透過軸P1は135°−315°方向に設定されている。
液晶セル5と光拡散部材9との間には、第2偏光板7が設けられている。第2偏光板7は、偏光子として機能する。第2偏光板7の透過軸P2は、第1偏光板3の透過軸P1と直交するように配置されている。第2偏光板7の透過軸P2は、45°−225°方向に設定されている。第1偏光板3の透過軸P1と第2偏光板7の透過軸P2とは、クロスニコルの配置となっている。
第1偏光板3と液晶セル5との間には、第1位相差フィルム4が設けられている。第1位相差フィルム4の遅相軸K1は、第1偏光板3の透過軸P1と直交するように配置されている。位相差フィルム4の遅相軸K1は、45°−225°方向に設定されている。
第2偏光板7と液晶セル5との間には、第2位相差フィルム6が設けられている。第2位相差フィルム6の遅相軸K2は、第2偏光板7の透過軸P2と直交するように配置されている。位相差フィルム6の遅相軸K2は、135°−315°方向に設定されている。
本実施形態の位相差フィルム(第1位相差フィルム4、第2位相差フィルム6)としては、富士フィルム社製のWVフィルムが用いられる。
次に、光拡散部材9について詳細に説明する。
図4は、光拡散部材9を視認側から見た斜視図である。
光拡散部材9は、図4に示すように、基材39と、複数の遮光層40と、光拡散部41と、を備えている。複数の遮光層40は、基材39の一面(視認側と反対側の面)に形成されている。光拡散部41は、基材39の一面のうち遮光層40の形成領域以外の領域に形成されている。
光拡散部材9は、図2に示すように、光拡散部41が設けられた側を第2偏光板7に向け、基材39の側を視認側に向けた姿勢で第2偏光板7上に配置される。光拡散部材9は、接着剤層43を介して第2偏光板7に固定される。
基材39には、例えばトリアセチルセルロース(TAC)フィルム、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルサルホン(PES)フィルム等の透明樹脂製の基材が好ましく用いられる。基材39は、製造プロセスにおいて、後で遮光層40や光拡散部41の材料を塗布する際の下地となる。基材39は、製造プロセス中の熱処理工程における耐熱性と機械的強度とを備える必要がある。したがって、基材39には、樹脂製の基材の他、ガラス製の基材等を用いても良い。ただし、基材39の厚さは耐熱性や機械的強度を損なわない程度に薄い方が好ましい。その理由は、基材39の厚さが厚くなる程、表示のボヤケが生じる虞があるからである。また、基材39の全光線透過率は、JIS K7361−1の規定で90%以上が好ましい。全光線透過率が90%以上であると、十分な透明性が得られる。本実施形態では、一例として厚さが100μmの透明樹脂製基材を用いる。
遮光層40は、基材39の主面の法線方向から見てランダムに配置されている。遮光層40は、一例として、ブラックレジスト、黒色インク等の光吸収性および感光性を有する有機材料で構成されている。その他、Cr(クロム)やCr/酸化Crの多層膜等の金属膜を用いても良い。
光拡散部41は、例えばアクリル樹脂やエポキシ樹脂等の光透過性および感光性を有する有機材料で構成されている。また、光拡散部41の全光線透過率は、JIS K7361−1の規定で90%以上が好ましい。全光線透過率が90%以上であると、十分な透明性が得られる。
光拡散部41は、光射出端面41aと、光入射端面41bと、反射面41cと、を有する。光射出端面41aは、基材39に接する面である。光入射端面41bは、光射出端面41aと対向する面である。反射面41cは、光拡散部41のテーパ状の側面である。反射面41cは、光入射端面41bから入射した光を反射する面である。光入射端面41bの面積は、光射出端面41aの面積よりも大きい。
光拡散部41は、光拡散部材9において光の透過に寄与する部分である。すなわち、光拡散部41に入射した光は、光拡散部41の反射面41cで全反射しつつ、光拡散部41の内部に略閉じこめられた状態で導光し、射出される。
光拡散部材9は、基材39が視認側に向くように配置される。そのため、光拡散部41の2つの対向面のうち、面積の小さい方の面が光射出端面41aとなる。一方、面積の大きい方の面が光入射端面41bとなる。
光拡散部41の反射面41cの傾斜角度(光入射端面41bと反射面41cとのなす角度)は、75°以上85°以下が好ましい。本実施形態では、光拡散部41の反射面41cの傾斜角度が85°である。ただし、光拡散部41の反射面41cの傾斜角度は、光拡散部材9から射出する際に、入射光を十分に拡散することが可能な角度であれば、特に限定されない。本実施形態において、光拡散部41の反射面41cの傾斜角度は一定になっている。
光拡散部41の光入射端面41bから光射出端面41aまでの高さは、遮光層40の層厚よりも大きく設定されている。本実施形態の場合、遮光層40の層厚は一例として150nm程度である。光拡散部41の光入射端面41bから光射出端面41aまでの高さは一例として20μm程度である。光拡散部41の反射面41cと遮光層40とにより囲まれた部分は、中空部42となっている。中空部42には空気が存在している。
なお、基材39の屈折率と光拡散部41の屈折率とは略同等であることが望ましい。その理由は、以下による。例えば、基材39の屈折率と光拡散部41の屈折率とが大きく異なる場合を考える。この場合、光入射端面41bから入射した光が光拡散部41から射出する際に、光拡散部41と基材39との界面で不要な光の屈折や反射が生じることがある。この場合、所望の視野角が得られない、射出光の光量が減少する、等の不具合が生じる虞があるからである。
本実施形態の場合、中空部42(光拡散部41の外部)には空気が介在している。そのため、光拡散部41を例えば透明アクリル樹脂で形成したとすると、光拡散部41の反射面41cは透明アクリル樹脂と空気との界面となる。ここで、中空部42を他の低屈折率材料で充填しても良い。しかしながら、光拡散部41の内部と外部との界面の屈折率差は、外部にいかなる低屈折率材料が存在する場合よりも空気が存在する場合が最大となる。したがって、Snellの法則より、本実施形態の構成においては臨界角が最も小さくなり、光拡散部41の反射面41cで光が全反射する入射角範囲が最も広くなる。その結果、光の損失がより抑えられ、高い輝度を得ることができる。
図5は、光拡散部材9の模式図である。図5において、左側上段は光拡散部材9の平面図である。左側下段は、左側上段の平面図のA−A線に沿った断面図である。右側上段は、左側上段の平面図のB−B線に沿った断面図である。
本実施形態の光拡散部材9は、図5の左側上段に示すように、複数の遮光層40が、基材39の一面に点在して設けられている。基材39の法線方向から見た遮光層40の平面形状は細長い楕円形である。遮光層40は、長軸と短軸とを有している。ここで、長軸とは、基材39の法線方向から見た遮光層40の平面形状において最も長さの長い軸とする。短軸とは、基材39の法線方向から見た遮光層40の平面形状において最も長さの短い軸とする。本実施形態の光拡散部材9では、それぞれの遮光層40において長軸の長さに対する短軸の長さの比が概ね等しい。
基材39の法線方向から見て、遮光層40の形成領域の面積をS1とする。基材39の一面の面積をS2とする。遮光層40の形成領域の面積S1と基材39の一面の面積S2との比S1/S2が0.1以上0.4以下である。ここで、遮光層40の形成領域の面積は、基材39の一面に点在して設けられた複数の遮光層40の形成領域をすべて足し合わせた領域の面積である。以下の説明においては、遮光層40の形成領域の面積S1と基材39の一面の面積S2との比S1/S2を単に遮光層40の形成領域の面積比と称することがある。本実施形態では、遮光層40の形成領域の面積比S1/S2が0.3である。
図5の左側下段、右側上段に示すように、遮光層40の下方に相当する部分が楕円錐台状の中空部42となる。光拡散部材9は複数の中空部42を有している。複数の中空部42以外の部分には、光拡散部41が連なって設けられている。
本実施形態の光拡散部材9では、それぞれの遮光層40の平面形状をなす楕円の長軸方向(以下、遮光層の長軸方向と称することがある)が概ねX方向に揃っている。それぞれの遮光層40の平面形状をなす楕円の短軸方向(以下、遮光層の短軸方向と称することがある)が概ねY方向に揃っている。このことから、光拡散部41の反射面41cの向きを考えると、光拡散部41の反射面41cのうち、X方向に沿った反射面41cの割合はY方向に沿った反射面41cの割合よりも多い。そのため、X方向に沿った反射面41cで反射してY方向に拡散する光Lyは、Y方向に沿った反射面41cで反射してX方向に拡散する光Lxよりも多くなる。したがって、光拡散部材9の拡散性が最も強い方位角方向は、遮光層40の短軸方向であるY方向となる。
なお、遮光層40の平面形状は、円形、多角形、半円等の形状が含まれていても良い。また、遮光層40の一部が重なって形成されていても良い。
図6は、遮光層40の平面視の大きさを説明するための図である。
図6は、複数の遮光層40のうちの一つの遮光層40を示す平面図である。
図6に示すように、遮光層40の長軸方向の長さをB1とする。遮光層40の短軸方向の長さをB2とする。遮光層40の長軸方向の長さB1と短軸方向の長さB2との比B1/B2が1.1以上2.5以下であることが好ましい。
本実施形態では、遮光層40の長軸方向の長さB1が20μmである。遮光層40の短軸方向の長さB2が10μmである。遮光層40の長軸方向の長さB1と短軸方向の長さB2との比B1/B2が2である。
図1に戻り、TFT基板10の配向膜27の配向制御方向を矢印H1で示す。一方、カラーフィルター基板12の配向膜34の配向制御方向を矢印H2で示す。
配向膜27には、配向制御方向H1が135°−315°方向となるように、ラビング等の配向処理がなされている。一方、配向膜34には、配向制御方向H2が45°−225°方向となるように、ラビング等の配向処理がなされている。
図7(A)、(B)は、液晶パネル2の動作を説明するための図である。
図7(A)は、液晶パネル2(図3に示す画素電極25と対向電極33との間)に電圧が印加されていないとき(電圧無印加時)の状態を示す図である。図7(B)は、液晶パネル2に一定の電圧を印加したとき(電圧印加時)の状態を示す図である。なお、図7(A)、(B)では、便宜上、第1位相差フィルム4、第2位相差フィルム6の図示を省略する。符号Mは、液晶層11を構成する液晶分子である。
電圧無印加時には、図7(A)に示すように、液晶分子Mは、配向膜27と配向膜34との間で、90°ツイストした状態となる。このとき、135°−315°方向の透過軸P1を有する第1偏光板3を透過した直線偏光の偏光面が、液晶層11の持つ旋光性により90°回転する。これにより、第1偏光板3を透過した直線偏光が、45°−225°方向の透過軸P2を有する第2偏光板7を透過する。その結果、電圧無印加時には白表示となる。
電圧印加時には、図7(B)に示すように、液晶分子Mは、配向膜27と配向膜34との間で、電界に沿った方向に立ち上がった状態となる。このとき、135°−315°方向の透過軸P1を有する第1偏光板3を透過した直線偏光の偏光面は回転しない。そのため、第1偏光板3を透過した直線偏光は、45°−225°方向の透過軸P2を有する第2偏光板7を透過しない。その結果、電圧印加時には黒表示となる。
以上のように、画素毎に電圧の印加/無印加を制御することにより白表示と黒表示とを切り替え、画像を表示することができる。
ところが、以下に説明するように、表示画像のコントラスト比は見る角度により異なる。
図8は、極角と方位角の定義を説明するための図である。
ここで、図8に示すように、液晶表示装置1の画面の法線方向Eを基準とした観察者の視線方向Fのなす角度を極角θとする。x軸の正方向(0°方向)を基準とした観察者の視線方向Fを画面上に射影したときの線分Gの方向のなす角度を方位角φとする。
図9は、液晶表示装置1の正面図である。
図9に示すように、液晶表示装置1の画面において、水平方向(x軸方向)を方位角φ:0°−180°方向とする。方位角φ:0°−180°方向は、端的にいうと左右方向である。具体的には、方位角φ:0°−180°方向は、地面に対して水平な軸に沿った方向である。垂直方向(y軸方向)を方位角φ:90°−270°方向とする。方位角φ:90°−270°方向は、端的にいうと上下方向である。具体的には、方位角φ:90°−270°方向は、地面に対して垂直な軸に沿った方向である。
図9に示す方位角方向を定義したとき、特許文献1の液晶表示装置では、液晶パネルに一定の電圧を印加した場合の方位角φ:270°方向の透過率変化が大きい。そのため、表示画像を方位角φ:270°方向の側から観察すると、表示画像の視認性が悪くなるという課題があった。
そこで、本実施形態では、表示画像を方位角φ:270°方向の側から観察しても、表示画像の視認性が良い状態を維持できるよう、以下の構成を採用している。
図10は、本実施形態の液晶表示装置1におけるバックライト8の極角輝度特性を示す図である。図10は、方位角φ:0°−180°方向と方位角φ:90°−270°方向とにおける輝度分布を極座標で表した図である。図10において、横軸は極角θ[°]である。縦軸は正面方向における表示輝度を1として表した規格化輝度である。
前述したように、本実施形態のバックライト8は、光の射出方向を制御して、指向性がある程度緩やかに設定された低指向性バックライトである。
図10に示すように、方位角φ:0°−180°方向においては、輝度が高い角度範囲が相対的に広い。これに対して、方位角φ:90°−270°方向においては、輝度が高い角度範囲が相対的に狭い。すなわち、方位角φ:0°−180°方向においては、バックライト8の輝度変化が最も小さい。一方、方位角φ:90°−270°方向においては、極角方向のバックライト8の輝度変化が最も大きい。
ここで、バックライト8の極角輝度特性において輝度が最大輝度の1/3まで減衰するときの極角の全幅を1/3全幅とする。図10において、符号FW1は方位角φ:0°−180°方向におけるバックライト8の1/3全幅である。符号FW2は方位角φ:90°−270°方向におけるバックライト8の1/3全幅である。
本実施形態では、バックライト8の極角輝度特性においてバックライト8の方位角φ:0°−180°方向における1/3全幅FW1が60°以上である。具体的には、方位角φ:0°−180°方向におけるバックライト8の1/3全幅FW1が100°である。一方、方位角φ:90°−270°方向におけるバックライト8の1/3全幅FW2が70°である。
ここで、「バックライト8の極角方向の輝度変化が最も大きい方位角方向」を、方位角ごとの極角・輝度カーブを測定・図示した際にカーブの傾きが大きい方向とする。
「バックライト8の極角方向の輝度変化が最も小さい方位角方向」を、方位角ごとの極角・輝度カーブを測定・図示した際にカーブの傾きが小さい方向とする。
「液晶パネル2に一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向」を、TN方式においては「明視方向」とする。また、VA方式の1分割配向及び2分割配向においては「ダイレクタの倒れる方向と垂直な方向」とする。なお、ダイレクタとは、配向主軸の方向(ネマチック液晶において分子長軸の平均的に揃う方向)である。
本実施形態では、「バックライト8の極角方向の輝度変化が最も大きい方位角方向」は、方位角φ:90°−270°方向である。
「バックライト8の極角方向の輝度変化が最も小さい方位角方向」は、方位角φ:0°−180°方向である。
「液晶パネル2に一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向」は、方位角φ:90°−270°方向である。
なお、本実施形態では、バックライト8の極角方向の輝度変化が最も小さい方位角方向、すなわち、方位角φ:0°−180°方向におけるバックライト8の1/3全幅FW1が100°であるが、これに限らない。方位角φ:0°−180°方向におけるバックライト8の1/3全幅FW1が60°以上であればよい。好ましくは、方位角φ:0°−180°方向におけるバックライト8の1/3全幅FW1が90°以上であるのがよい。
本実施形態では、バックライト8の極角方向の輝度変化が最も大きい方位角方向(方位角φ:90°−270°方向)と、液晶パネル2に一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向(方位角φ:90°−270°方向)と、を概ね一致させている。
なお、バックライト8の極角方向の輝度変化が最も大きい方位角方向と、液晶パネル2に一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向とは、完全に一致する必要はなく、概ね一致していればよい。一般に液晶表示装置の組立て工程において、液晶パネルとバックライトとの位置合わせの回転方向のずれは5°程度以内と考えられる。したがって、バックライト8の極角方向の輝度変化が最も大きい方位角方向と、液晶パネル2に一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向とが5°程度ずれている場合も、本発明の技術範囲に含まれる。
図1及び図2に示したように、液晶パネル2の光射出側に光拡散部材9を配置している。本実施形態では、光拡散部材9の拡散性が最も強い方位角方向(図5に示す、遮光層40の短軸方向であるY方向)と、光拡散部材9の液晶パネル2に一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向(方位角φ:90°−270°方向)と、を概ね一致させている。
なお、光拡散部材9の拡散性が最も強い方位角方向と、光拡散部材9の液晶パネル2に一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向とは、完全に一致する必要はなく、概ね一致していればよい。一般に液晶表示装置の組立て工程において、液晶パネルと光拡散部材との位置合わせの回転方向のずれは5°程度以内と考えられる。したがって、光拡散部材9の拡散性が最も強い方位角方向と、光拡散部材9の液晶パネル2に一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向とが5°程度ずれている場合も、本発明の技術範囲に含まれる。
すなわち本実施形態では、バックライト8の極角方向の輝度変化が最も大きい方位角方向と、液晶パネル2に一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向(方位角φ:90°−270°方向)と、光拡散部材9の拡散性が最も強い方位角方向と、を概ね一致させている。
(液晶表示装置の製造方法)
図11(A)〜(D)は、光拡散部材9の製造工程を、順を追って示す斜視図である。
上記構成の液晶表示装置1を構成する光拡散部材9の製造工程を中心に、その製造方法について説明する。
液晶パネル2の製造工程の概略を先に説明する。最初に、TFT基板10とカラーフィルター基板12をそれぞれ作製する。その後、TFT基板10のTFT19が形成された側の面とカラーフィルター基板12のカラーフィルター31が形成された側の面とを対向させて配置。そして、TFT基板10とカラーフィルター基板12とをシール部材を介して貼り合わせる。その後、TFT基板10とカラーフィルター基板12とシール部材とによって囲まれた空間内に液晶を注入する。そして、このようにしてできた液晶セル5の両面に、光学接着剤等を用いて第1位相差フィルム4、第1偏光板3、第2位相差フィルム6、第2偏光板7をそれぞれ貼り合わせる。以上の工程を経て、液晶パネル2が完成する。
なお、TFT基板10やカラーフィルター基板12の製造方法は常法によれば良く、その説明を省略する。
最初に、図11(A)に示すように、厚さが100μmのトリアセチルセルロースの基材39を準備する。次いで、スピンコート法を用いて、この基材39の一面に遮光部材料としてカーボンが含有されたブラックネガレジストを塗布する。これにより、膜厚150nmの塗膜45を形成する。
次いで、上記の塗膜45を形成した基材39をホットプレート上に載置し、温度90℃で塗膜45のプリベークを行う。これにより、ブラックネガレジスト中の溶媒が揮発する。
次いで、露光装置を用い、平面形状が例えば楕円形状の複数の開口パターン46が形成されたフォトマスク47を介して塗膜45に光Lを照射し、露光を行う。このとき、波長365nmのi線、波長404nmのh線、波長436nmのg線の混合線を用いた露光装置を使用する。露光量は100mJ/cm2とする。
上記のフォトマスク47を用いて露光を行った後、専用の現像液を用いてブラックネガレジストからなる塗膜45の現像を行い、100℃で乾燥し、図11(B)に示すように、平面形状が例えば楕円形の複数の遮光層40を基材39の一面に形成する。本実施形態の場合、次工程でブラックネガレジストからなる遮光層40をマスクとして透明ネガレジストの露光を行い、中空部42を形成する。そのため、フォトマスク47の開口パターン46の位置が中空部42の形成位置に対応する。
楕円形の遮光層40は次工程の光拡散部41の非形成領域(中空部42)に対応する。複数の開口パターン46は全て楕円形のパターンである。開口パターン46の長径と短径は様々の大きさから構成されている。隣接する開口パターン46間の間隔(ピッチ)の配置は、規則的でもなく、周期的でもない。開口パターン46の間隔(ピッチ)は液晶パネル2の画素の間隔(ピッチ、例えば150μm)よりも小さいことが望ましい。これにより、画素内に少なくとも1つの遮光層40が形成される。そのため、例えばモバイル機器等に用いる画素ピッチが小さい液晶パネルと組み合わせたときに広視野角化を図ることができる。
本実施形態では、ブラックネガレジストを用いたフォトリソグラフィー法によって遮光層40を形成したが、これに限らない。この他に、本実施形態の開口パターン46と遮光パターンとが反転したフォトマスクを用いれば、光吸収性を有するポジレジストを用いることもできる。もしくは、蒸着法や印刷法等を用いて遮光層40を直接形成しても良い。
次いで、図11(C)に示すように、スピンコート法を用いて、遮光層40の上面に光拡散部材料としてアクリル樹脂からなる透明ネガレジストを塗布する。これにより、膜厚20μmの塗膜48を形成する。
次いで、上記の塗膜48を形成した基材39をホットプレート上に載置し、温度95℃で塗膜48のプリベークを行う。これにより、透明ネガレジスト中の溶媒が揮発する。
次いで、基材39側から遮光層40をマスクとして塗膜48に光Fを照射し、露光を行う。このとき、波長365nmのi線、波長404nmのh線、波長436nmのg線の混合線を用いた露光装置を使用する。露光量は500mJ/cm2とする。
その後、上記の塗膜48を形成した基材39をホットプレート上に載置し、温度95℃で塗膜48のポストエクスポージャーベイク(PEB)を行う。
次いで、専用の現像液を用いて透明ネガレジストからなる塗膜48の現像を行い、100℃でポストベークし、図11(D)に示すように、複数の中空部42を有する透明樹脂層41を基材39の一面に形成する。本実施形態では、図11(C)に示したように、拡散光を用いて露光を行っているので、塗膜48を構成する透明ネガレジストが遮光層40の非形成領域から外側に広がるように放射状に露光される。これにより、順テーパ状の中空部42が形成される。光拡散部41は逆テーパ状の形状となる。光拡散部41の反射面41cの傾斜角度は拡散光の拡散の度合いで制御できる。
ここで用いる光Fとして、平行光、もしくは拡散光、もしくは特定の出射角度における強度が他の出射角度における強度と異なる光、すなわち特定の出射角度に強弱を有する光を用いることができる。平行光を用いた場合、光拡散部41の反射面41cの傾斜角度が例えば60°〜90°程度の単一の傾斜角度となる。拡散光を用いた場合には、傾斜角度が連続的に変化する、断面形状が曲線状の傾斜面となる。特定の出射角度に強弱を有する光を用いた場合には、その強弱に対応した斜面角度を有する傾斜面となる。このように、光拡散部41の反射面41cの傾斜角度を調整することができる。これにより、光拡散部材9の光拡散性を、目的とする視認性が得られるように調整することが可能となる。
なお、露光装置から出射された平行光を光Fとして基材39に照射する手段の一つとして、例えば露光装置から出射された光の光路上にヘイズ50程度の拡散板を配置し、拡散板を介して光を照射する。
以上、図11(A)〜(D)の工程を経て、本実施形態の光拡散部材9が完成する。光拡散部材9の全光線透過率は、90%以上が好ましい。全光線透過率が90%以上であると、十分な透明性が得られ、光拡散部材9に求められる光学性能を十分に発揮できる。全光線透過率は、JIS K7361−1の規定によるものである。なお、本実施形態では、液体状のレジストを用いる例を挙げたが、この構成に代えて、フィルム状のレジストを用いても良い。
最後に、完成した光拡散部材9を、図2に示すように、基材39を視認側に向け、光拡散部41を第2偏光板7に対向させた状態で、接着剤層43を介して液晶パネル2に貼付する。
以上の工程により、本実施形態の液晶表示装置1が完成する。
本実施形態に係る液晶表示装置1においては、前述したように低指向性バックライトを用いている。この場合、バックライト8の極角方向の輝度変化が最も小さい方位角方向(方位角φ:0°−180°方向)におけるバックライト8の1/3全幅FW1が100°であるため、光拡散部材9に対してある程度広がった光が入射する。そのため、光拡散部材9からは、指向性の高いバックライトを用いる場合に比べて、角度分布が広がった状態の光が射出される。これにより、見え難いところから射出される光と見え易いところから射出される光とを混在させ、輝度変化の度合いを平均化できる。したがって、観察者が液晶表示装置1の正面方向(法線方向)から視線を傾けていっても良好な表示を視認することができる。
さらに、本実施形態においては、バックライト8の極角方向の輝度変化が最も大きい方位角方向と、液晶パネル2に一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向(方位角φ:90°−270°方向)と、が概ね一致している。これにより、バックライト8から射出される光のうち相対的に指向性が高い光を強く拡散させることができる。その結果、方位角φ:90°−270°方向における液晶パネル2の輝度視野角の狭さが改善される。したがって、輝度視野角特性に優れた液晶表示装置1を提供することができる。
さらに、光拡散部材9の拡散性が最も強い方位角方向と、液晶パネル2に一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向(方位角φ:90°−270°方向)と、が概ね一致している。そのため、液晶表示装置1から方位角φ:90°−270°方向に射出される光が、他の方位角方向に射出される光に比べて、広角に拡散する。これにより、方位角φ:90°−270°方向と他の方位角方向との間で、輝度変化の度合いを平均化できる。そのため、白表示時のコントラスト視野角特性において、輝度ピークが特定の方位角方向にずれることが抑制される。つまり、輝度分布の対称性を高めることができる。したがって、表示画面を斜め方向から見たときの階調反転を抑制し、視野角特性に優れた液晶表示装置1を提供することができる。
一般に、ストライプや格子等のような規則性のあるパターン同士を重ね合わせた場合、各パターンの周期が僅かにずれると、干渉縞模様(モアレ)が視認されることが知られている。例えば複数の光拡散部がマトリクス状に配列された光拡散部材と複数の画素がマトリクス状に配列された液晶パネルとを重ね合わせたとすると、光拡散部材の光拡散部による周期パターンと液晶パネルの画素による周期パターンとの間でモアレが発生し、表示品位を低下させる虞がある。
これに対し、本実施形態の液晶表示装置1においては、複数の遮光層40が平面的にランダムに配置されている。光拡散部41が遮光層40の形成領域以外の領域に形成されている。そのため、液晶パネル2の画素の規則的配列との間で干渉によるモアレが生じることがなく、表示品位を維持することができる。
本実施形態では、複数の遮光層40の配置をランダムとしたが、必ずしも複数の遮光層40の配置がランダムである必要はない。複数の遮光層40の配置が非周期的であれば、モアレの発生を抑えることができる。さらに、状況や用途に応じて多少のモアレの発生が許容される場合には、複数の遮光層40が周期的に配置されていても良い。
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態について、図12及び図13を用いて説明する。
本実施形態の液晶表示装置101の基本構成は第1実施形態と同一であり、光散乱フィルム102を備えた点が第1実施形態と異なる。
図12は、本実施形態の液晶表示装置101の断面図である。
図12において、第1実施形態で用いた図と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
本実施形態の液晶表示装置101は、図12に示すように、光拡散部材9の光射出側に、さらに光散乱フィルム102(光散乱部材)を備えている。
光散乱フィルム102は、バインダー樹脂103の内部に複数の光散乱体104が分散されたものである。バインダー樹脂103としては、例えばアクリル樹脂等が用いられる。光散乱体104としては、例えばアクリルビーズ等が用いられる。光散乱フィルム102は、接着剤層105により、基材39の視認側の面に固定されている。
図13は、光散乱フィルム102の特性を示す図である。この特性は、大塚電子社製のLCD評価装置(製品名;LCD−5200)を用いて、光散乱フィルム102の一面(基材39の側の面)に対して垂直に投光したときの特性である。図13において、横軸は極角θ[°]である。縦軸は、光散乱フィルム102の一面に波長550nmの光を垂直に投光したときに光散乱フィルム102を透過した光の強度(透過強度)である。
図13に示すように、光散乱フィルム102の透過強度の特性は、方位角方向に対して等方的である。
なお、光散乱フィルム102は、光拡散部材9と同様、光を異方的に散乱させるものであってもよいし、光を等方的に散乱させるものであってもよい。この種の光散乱フィルム102の使用により、光拡散部材9で拡散しきれなかった光を十分に拡散させることができる。
[第3実施形態]
以下、本発明の第3実施形態について、図14を用いて説明する。
本実施形態の液晶表示装置の基本構成は第1実施形態と同一であり、光拡散部材309に複数の光拡散部341が配置されている点が第1実施形態と異なる。そのため、本実施形態では、光拡散部材309について説明する。
図14は、光拡散部材309の模式図である。図14において、左側上段は光拡散部材309の平面図である。左側下段は、左側上段の平面図のC−C線に沿った断面図である。右側上段は、左側上段の平面図のD−D線に沿った断面図である。
本実施形態の光拡散部材309は、図14の左側上段に示すように、複数の光拡散部341が、基材339の一面に点在して設けられている。基材339の法線方向から見た光拡散部341の平面形状は細長い楕円形である。光拡散部341は、長軸と短軸とを有している。
図14の左側下段、右側上段に示すように、遮光層340の下方に相当する部分が中空部342となる。この中空部342に空気が存在している。光拡散部材309は空気が存在する連続した中空部342を有している。中空部342以外の部分には、光拡散部341が点在して設けられている。
複数の光拡散部341の長軸方向は概ねX方向に揃っている。複数の光拡散部341の短軸方向は概ねY方向に揃っている。このことから、光拡散部341の反射面341cの向きを考えると、光拡散部341の反射面341cのうち、X方向に沿った反射面341cの割合はY方向に沿った反射面341cの割合よりも多い。そのため、X方向に沿った反射面341cで反射してY方向に拡散する光Lyは、Y方向に沿った反射面341cで反射してX方向に拡散する光Lxよりも多くなる。したがって、光拡散部材309の拡散性が最も強い方位角方向は、光拡散部341の短軸方向であるY方向となる。
本実施形態においては、液晶パネル2の光射出側に光拡散部材309を配置し、さらに、光拡散部材309の液晶パネル2に一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向(方位角φ:90°−270°方向)と、光拡散部材309の拡散性が最も強い方位角方向(光拡散部341の短軸方向であるY方向)と、を概ね一致させる。
係る光拡散部材309を使用した場合であっても、表示画面を斜め方向から見たときの階調反転を抑制し、視野角特性に優れた表示画像を実現することができる。
なお、光拡散部341の平面形状は、円形、多角形、半円等の形状が含まれていても良い。また、光拡散部341の開口部同士が重なって形成されていても良い。
[第4実施形態]
以下、本発明の第4実施形態について、図15(A)〜(C)を用いて説明する。
本実施形態の液晶表示装置の基本構成は第1実施形態と同一であり、光拡散部材における遮光層の形状が第1実施形態と異なる。
したがって、本実施形態では、液晶表示装置の基本構成の説明は省略し、遮光層について説明する。
図15(A)〜(C)は、本実施形態の遮光層の平面図である。
図15(A)〜(C)に示すように、本実施形態の遮光層の形状は長軸と短軸とを有する異方性形状である。
具体的には、図15(A)に示す遮光層440Aの形状は、長方形である。図15(B)に示す遮光層440Bの形状は、長方形の角が丸みを帯びた形状である。図15(C)に示す遮光層440Cの形状は、長方形の角の丸みを大きくした形状(小判形)である。
本実施形態においては、遮光層440A〜440Cの短軸方向と、液晶パネル2に一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向(方位角φ:90°−270°方向)と、を概ね一致させる。
本実施形態の遮光層440A〜440Cを用いても、表示画面を斜め方向から見たときの階調反転を抑制し、視野角特性に優れた表示を得ることができる。
なお、遮光層の形状は、本実施形態の形状に限らない。遮光層の形状は、少なくとも長軸と短軸とを有する異方性形状であればよい。遮光層の形状が楕円や長方形以外の形状である場合、長軸及び短軸は以下のように定義される。長軸は、基材の法線方向から見た遮光層の平面形状において方位ごとの長さを測定したときに最も長さの長い軸とする。短軸は、基材の法線方向から見た遮光層の平面形状において方位ごとの長さを測定したときに最も長さの短い軸とする。
[第5実施形態]
以下、本発明の第5実施形態について、図16(A)、(B)を用いて説明する。
本実施形態の液晶表示装置の基本構成は第1実施形態と同一であり、液晶パネルのドメイン構造が第1実施形態と異なる。
したがって、本実施形態では、液晶表示装置の基本構成の説明は省略し、液晶パネルのドメイン構造について説明する。
図16(A)、(B)は、本実施形態の液晶パネルのドメイン構造を示す図である。具体的には、図16(A)に示すドメイン構造はモノドメイン構造である。図16(B)に示すドメイン構造は、マルチドメイン構造である。
ここで、モノドメイン構造とは、液晶層内に液晶の配向状態の揃った一つのドメインが形成された構造である。マルチドメイン構造とは、液晶層内に液晶の配向状態の異なる複数のドメインが形成された構造である。マルチドメイン構造は、配向膜に、液晶を異なる方向にプレチルトさせる複数の領域を設けることで形成される。「プレチルト」とは、液晶の配向方向(液晶の分子長軸方向)が配向膜の表面に対して垂直な方向(Z方向)から若干水平な方向(XY平面と平行な方向)に傾いた状態をいう。液晶にプレチルト角を付与する方法としては、配向膜にラビング処理を行う方法や、配向膜に光配向処理を行う方法などがある。配向膜を斜方蒸着で形成しても、液晶にプレチルト角を付与することができる。
液晶パネルのドメイン構造がモノドメイン構造もしくはマルチドメイン構造であっても、表示画面を斜め方向から見たときの階調反転を抑制し、視野角特性に優れた表示を得ることができる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
また、上記実施形態における光拡散部材の基材の視認側に、反射防止層、偏光フィルター層、帯電防止層、防眩処理層、防汚処理層のうちの少なくとも一つを設けた構成としても良い。この構成によれば、基材の視認側に設ける層の種類に応じて、外光反射を低減する機能、塵埃や汚れの付着を防止する機能、傷を防止する機能等を付加することができ、視野角特性の経時劣化を防ぐことができる。
また、上記実施形態では、光拡散部もしくは空間部分の形状を楕円錐台状としたが、その他の形状であってもよい。また、光拡散部の反射面の傾斜角度は光軸を中心として必ずしも対称でなくても良い。上記実施形態のように光拡散部の形状を楕円錐台状とした場合には、光拡散部の反射面の傾斜角度が光軸を中心として線対称となるため、光軸を中心として線対称的な角度分布が得られる。これに対し、表示装置の用途や使い方に応じて意図的に非対称な角度分布が要求される場合、例えば画面の上方側だけ、あるいは右側だけに視野角を広げたい等の要求がある場合には、光拡散部の反射面の傾斜角度を非対称にしても良い。
その他、液晶表示装置の各構成部材の材料、数、配置等に関する具体的な構成は上記実施形態に限ることなく、適宜変更が可能である。例えば上記実施形態では、液晶パネルの外側に偏光板や位相差板を配置する例を示したが、この構成に代えて、液晶パネルを構成する一対の基板の内側に偏光層や位相差層を形成しても良い。
以下、実施例及び比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
本願発明者は、本発明の液晶表示装置の効果を検証するために、本発明の液晶表示装置と比較例の液晶表示装置とで階調輝度特性を比較した。以下、これらの比較結果について説明する。
液晶パネルは、TNモードの液晶パネルを用いた。位相差フィルムは、富士フィルム社製のWVフィルムを用いた。
「比較例1」
液晶表示装置は、光拡散部材を備えていない。バックライトは、低指向性バックライトである。比較例1の液晶表示装置は、第1実施形態の液晶表示装置1から光拡散部材9を除いたものが相当する。
「実施例1」
液晶表示装置は、光を異方的に拡散させる光拡散部材を有するものを用いた。光拡散部材における遮光層の平面視形状は楕円形である。バックライトは低指向性バックライトである。実施例1の液晶表示装置は、第1実施形態の液晶表示装置1に相当する。
光拡散部材のパラメータは、以下に示す通りである。遮光層の長軸の長さは20μmである。遮光層の短軸の長さは10μmである。光拡散部の屈折率は1.5である。空気層の屈折率は1.0である。光拡散部の反射面の傾斜角度は85°である。光拡散部の高さは20μmである。遮光層の形成領域の面積比は0.3である。
比較例及び実施例について、シミュレーションを行い、極角輝度特性を確認した。シミュレーションソフトとして、Light Toolsを使用した。その結果を図17〜図19に示す。
図17は、比較例1の液晶表示装置を用いたときの等輝度曲線である。図18は、実施例1の液晶表示装置を用いたときの等輝度曲線である。図19は、図17及び図18の等輝度曲線に対して、方位角:90°−270°方向(画面縦方向)における輝度分布を極座標で表した図である。図19において、横軸は極角[°]であり、縦軸は規格化輝度である。規格化輝度は、入力階調が最高階調(255階調)のときの正面方向における表示輝度を1として表した値である。
図17及び図18に示すように、「比較例1」、「実施例1」の結果から、方位角φ:0°−180°方向(画面横方向)においては階調反転や階調つぶれが確認されなかった。
しかしながら、図17及び図19に示すように、「比較例1」では、方位角φ:90°−270°方向(画面縦方向)において階調つぶれが確認された。例えば、「比較例1」では、図19に示すように、極角θ:−30°〜−60°の輝度が急峻に変化している。特に、極角θ:−45°付近で階調つぶれが確認された。
これに対し、図18及び図19に示すように、「実施例1」では、方位角φ:90°−270°方向(画面縦方向)においても階調反転や階調つぶれが確認されなかった。例えば、「実施例1」では、図19に示すように、極角θ:−30°〜−60°の輝度が緩やかに変化している。
「比較例1」、「実施例1」の結果から、光を異方的に拡散させる光拡散部材を配置し、液晶パネルに一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向と、光拡散部材の拡散性が最も強い方位角方向と、を概ね一致させることにより、階調反転や階調つぶれの発生を抑制できることが分かった。
また、本願発明者は、本発明の液晶表示装置を構成する遮光層の形成領域の面積比S1/S2の好ましい数値範囲を検証するために、シミュレーションを行い、極角輝度特性を確認した。シミュレーションソフトとして、Light Toolsを使用した。その結果を図20に示す。
図20は、遮光層の形成領域の面積比を変化させたときの方位角:90°−270°方向(画面縦方向)における極角輝度特性を示す図である。図20において、横軸は極角[°]であり、縦軸は輝度[cd/m]である。なお、横軸において、−方向が方位角:90°方向であり、+方向が方位角:270°方向である。
液晶パネルは、TNモードの液晶パネルを用いた。バックライトは、低指向性バックライトを用いた。
「光拡散部材なし」の液晶表示装置は、第1実施形態の液晶表示装置1から光拡散部材9を除いたものが相当する。
「光拡散部材あり」の液晶表示装置は、第1実施形態の液晶表示装置1に相当する。
光拡散部材のパラメータは、以下に示す通りである。遮光層の長軸の長さは11μmである。遮光層の短軸の長さは10μmである。光拡散部の屈折率は1.5である。空気層の屈折率は1.0である。光拡散部の反射面の傾斜角度は85°である。光拡散部の高さは20μmである。遮光層の形成領域の面積比は、「S1/S2=0.1」、「S1/S2=0.2」、「S1/S2=0.3」、「S1/S2=0.4」の4種類とした。
図20に示すように、「光拡散部材なし」では、方位角φ:90°−270°方向(画面縦方向)において階調つぶれが確認された。例えば、「光拡散部材なし」では、極角θ:−30°〜−60°の輝度が急峻に変化している。特に、極角θ:−45°付近で階調つぶれが確認された。
これに対し、「光拡散部材あり」では、方位角φ:90°−270°方向(画面縦方向)においても階調反転や階調つぶれが確認されなかった。例えば、「S1/S2=0.1」では、極角θ:−30°〜−60°の輝度が緩やかに変化している。また、「S1/S」が大きいほど、極角θ:−45°付近の輝度が大きくなっている。「S1/S2=0.4」では、極角θ:−30°〜−60°の輝度変化がほぼ無くなっている。仮に、「S1/S2>0.4」の場合は、極角θ:−45°付近に輝度のピークが現れてしまうと考えられる。
以上の結果から、階調反転や階調つぶれの発生を抑制するためには、遮光層の形成領域の面積比S1/S2を、0.1以上0.4以下にすることが好ましいことが分かった。
また、本願発明者は、本発明の液晶表示装置を構成する遮光層の長軸の長さB1と短軸の長さB2との比B1/B2の好ましい数値範囲を検証するために、シミュレーションを行い、極角輝度特性を確認した。シミュレーションソフトとして、Light Toolsを使用した。その結果を図21に示す。
図21は、遮光層の長軸の長さと短軸の長さとの比を変化させたときの方位角:90°−270°方向(画面縦方向)における極角輝度特性を示す図である。図21において、横軸は極角[°]であり、縦軸は輝度[cd/m]である。なお、横軸において、−方向が方位角:90°方向であり、+方向が方位角:270°方向である。
液晶パネルは、TNモードの液晶パネルを用いた。バックライトは、低指向性バックライトを用いた。
「光拡散部材なし」の液晶表示装置は、第1実施形態の液晶表示装置1から光拡散部材9を除いたものが相当する。
「光拡散部材あり」の液晶表示装置は、第1実施形態の液晶表示装置1に相当する。
光拡散部材のパラメータは、以下に示す通りである。光拡散部の屈折率は1.5である。空気層の屈折率は1.0である。光拡散部の反射面の傾斜角度は85°である。光拡散部の高さは20μmである。遮光層の形成領域の面積比は0.3である。遮光層の長軸の長さB1と短軸の長さB2との比B1/B2は、「B1/B2=1.1」、「B1/B2=1.5」、「B1/B2=2.0」、「B1/B2=2.5」の4種類とした。なお、遮光層の短軸の長さB2は10μmに固定した。遮光層の長軸の長さB1は、11μm、15μm、20μm、25μmのそれぞれに設定した。
図21に示すように、「光拡散部材なし」では、方位角φ:90°−270°方向(画面縦方向)において階調つぶれが確認された。例えば、「光拡散部材なし」では、極角θ:−30°〜−60°の輝度が急峻に変化している。特に、極角θ:−45°付近で階調つぶれが確認された。
これに対し、「光拡散部材あり」では、方位角φ:90°−270°方向(画面縦方向)においても階調反転や階調つぶれが確認されなかった。例えば、「B1/B2=1.1」では、極角θ:−30°〜−60°の輝度が緩やかに変化している。また、「B1/B2=1.1」が大きいほど、極角θ:−45°付近の輝度が大きくなっている。ただし、「B1/B2=2.0」と「B1/B2=2.5」とでは、極角θ:−45°付近の輝度がほとんど変わらない。仮に、遮光層の長軸の長さB1と短軸の長さB2との比B1/B2を必要以上に大きくすると、液晶を通った光が遮光層に直接入射する量が増す傾向があり、効率の低下を招くおそれがある。
以上の結果から、階調反転や階調つぶれの発生を抑制するためには、遮光層の長軸の長さB1と短軸の長さB2との比B1/B2を、1.1以上2.5以下にすることが好ましいことが分かった。
本発明は、各種ディスプレイ、携帯用電子機器等の表示部等に用いる液晶表示装置に利用可能である。
1,101…液晶表示装置、2…液晶パネル、3…第1偏光板、4…第1位相差フィルム(位相差板)、6…第2位相差フィルム(位相差板)、7…第2偏光板、8…バックライト(照明装置)、9,309…光拡散部材、11…液晶層、39,339…基材、40,340,440A,440B,440C…遮光層、41,341…光拡散部、41a…光射出端面、41b…光入射端面、41c,341c…反射面、102…光散乱フィルム(光散乱部材)、θ…極角、φ…方位角


第1実施形態の液晶表示装置の概略構成を示す斜視図である。 液晶表示装置の断面図である。 液晶パネルの縦断面図である。 光拡散部材を示す斜視図である。 光拡散部材の平面図である。 遮光層の平面視の大きさを説明するための図である。 (A)、(B)液晶パネルの動作を説明するための図である。 極角と方位角の定義を説明するための図である。 液晶表示装置の正面図である。 バックライトの極角輝度特性を示す図である。 (A)、(B)、(C)、(D)光拡散部材の製造工程を、順を追って示す斜視図である。 第2実施形態の液晶表示装置の断面図である。 光散乱フィルムの特性を示す図である。 第3実施形態の光拡散部材の平面図である。 (A)、(B)、(C)第4実施形態の遮光層の平面図である。 (A)、(B)第5実施形態の液晶パネルのドメイン構造を示す図である。 比較例の液晶表示装置を用いたときの極角輝度特性を示す図である。 実施例の液晶表示装置を用いたときの極角輝度特性を示す図である。 比較例及び実施例の液晶表示装置を用いたときの極角輝度特性を示す図である。 遮光層の形成領域の面積比を変化させたときの極角輝度特性を示す図である。 遮光層の長軸の長さと短軸の長さとの比を変化させたときの極角輝度特性を示す図である。

Claims (14)

  1. 一対の基板と、前記一対の基板間に挟持された液晶層と、前記液晶層の光入射側および光射出側に配置された一対の偏光板と、を含む液晶パネルと、
    前記液晶パネルの光入射側に配置され、前記液晶パネルに向けて光を照射する照明装置と、
    前記液晶パネルの光射出側に配置され、前記液晶パネルから射出された光を前記液晶パネルの法線方向から見た方位角方向において拡散させる光拡散部材と、を含み、
    前記光拡散部材が、光透過性を有する基材と、前記基材の一面に形成された複数の遮光層と、前記基材の一面のうち前記遮光層の形成領域以外の領域に形成された光拡散部と、を含み、
    前記光拡散部が、前記基材に接する光射出端面と、前記光射出端面に対向し、前記光射出端面の面積よりも大きい面積を有する光入射端面と、前記光射出端面と前記光入射端面とに接し、前記光入射端面から入射した光を反射する反射面と、を有し、
    前記光拡散部の前記光入射端面から前記光射出端面までの高さが前記遮光層の層厚よりも大きくなっており、
    前記照明装置の極角輝度特性において輝度が最大輝度の1/3まで減衰するときの極角の全幅を1/3全幅としたとき、前記照明装置の極角方向の輝度変化が最も大きい方位角方向における前記照明装置の1/3全幅が60°以上である液晶表示装置。
  2. 一対の基板と、前記一対の基板間に挟持された液晶層と、前記液晶層の光入射側および光射出側に配置された一対の偏光板と、を含む液晶パネルと、
    前記液晶パネルの光入射側に配置され、前記液晶パネルに向けて光を照射する照明装置と、
    前記液晶パネルの光射出側に配置され、前記液晶パネルから射出された光を前記液晶パネルの法線方向から見た方位角方向において拡散させる光拡散部材と、を含み、
    前記光拡散部材が、光透過性を有する基材と、前記基材の一面に形成された複数の光拡散部と、前記基材の一面のうち前記光拡散部の形成領域以外の領域に形成された遮光層と、を含み、
    前記光拡散部が、前記基材に接する光射出端面と、前記光射出端面に対向し、前記光射出端面の面積よりも大きい面積を有する光入射端面と、前記光射出端面と前記光入射端面とに接し、前記光入射端面から入射した光を反射する反射面と、を有し、
    前記光拡散部の前記光入射端面から前記光射出端面までの高さが前記遮光層の層厚よりも大きくなっており、
    前記照明装置の極角輝度特性において輝度が最大輝度の1/3まで減衰するときの極角の全幅を1/3全幅としたとき、前記照明装置の極角方向の輝度変化が最も大きい方位角方向における前記照明装置の1/3全幅が60°以上である液晶表示装置。
  3. 前記照明装置の極角方向の輝度変化が最も大きい方位角方向と、前記液晶パネルに一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向と、が概ね一致している請求項1または2に記載の液晶表示装置。
  4. 前記照明装置の極角方向の輝度変化が最も小さい方位角方向における前記照明装置の1/3全幅が90°以上である請求項1ないし3のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
  5. 前記光拡散部材は、前記液晶パネルから射出された光を前記液晶パネルの法線方向から見た方位角方向において異方的に拡散させて光の射出方向を制御する請求項1ないし4のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
  6. 前記光拡散部材の拡散性が最も強い方位角方向と、前記液晶パネルに一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向と、が概ね一致している請求項5に記載の液晶表示装置。
  7. 前記遮光層が前記基材の一面に接する部分の平面形状が、少なくとも長軸と短軸とを有する異方性形状である請求項1に記載の液晶表示装置。
  8. 前記遮光層が前記基材の一面に接する部分の平面形状が、楕円もしくは長方形である請求項7に記載の液晶表示装置。
  9. 前記遮光層の短軸方向と、前記液晶パネルに一定の電圧を印加した場合の極角方向の透過率変化が最も大きい方位角方向と、が概ね一致している請求項7または8に記載の液晶表示装置。
  10. 前記遮光層の長軸方向の長さB1と短軸方向の長さB2との比B1/B2が1.1以上2.5以下である請求項7ないし9のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
  11. 前記基材の法線方向から見て前記遮光層の形成領域の面積S1と前記基材の一面の面積S2との比S1/S2が0.1以上0.4以下である請求項1ないし10のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
  12. 前記液晶パネルの表示モードがツイステッドネマチックモードである請求項1ないし11のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
  13. 前記液晶パネルのドメイン構造がモノドメイン構造もしくはマルチドメイン構造である請求項1ないし12のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
  14. 前記光拡散部材の光射出側に、入射した光を散乱させる光散乱部材が設けられている請求項1ないし13のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
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