WO1990016006A1 - Liquid crystal display device and phase difference plates - Google Patents

Description

明 細

液 晶 表 示 装 置 お よ び 位 相差板

[技術分野 ]

本発明は複屈折型液晶表示装置における着色を位相差板に よ って補償するこ と によ り無色化した液晶表示装置および位相 差板に関する。

[背景技街 ]

ねじれ角度 9 0 。 のネマチッ ク液晶パネルを一対の偏光板の 間に介在させたツイス 卜型液晶表示装置の改良型と して、 ねじ れ角度を 2 7 0 ° 程度に増大させる こ と によ り 、 駆動電圧に対 する光透遒率の変化を急峻に したものが S T N (スーパーツイ ステ ツ ドネマチッ ク ） 型液晶表示装置と して知られている （ た とえば米国特許第 4 ， 6 3 4 , 2 2 9号参照） 。

こ の S T N型液晶表示装置においては、 液晶分子の配向方向 に対して偏光板の偏光方向が交差する よう に配置し、 その結果 と し て生ずる複屈折効果に よ り 高い コ ン 卜 ラ ス 卜 を得てい る。

と こ ろで、 複屈折効果には波長依存性があるので、 白色光が 複屈折型液晶表示装置を透遏する と透過光が着色する という 欠 点がある。

そこで、 三原色 R , G , Bのカラーフ ィ ルタ と この液晶表示 装置とを組合せてフルカラー表示を行う ためには、 上記の複屈 折効果の波長依存性に起因する着色を無色化する こ とが必要と なる。 S T N型液晶表示装置における着色を無色化する方法と して は、 一対の偏光板の間に S T N型液晶パネルと ともに光学異方 性層を配置し、 後者の示す複屈折効果によ り前者の効果を補償 して無色化する こ と が提案されている （ たと えば米国特許第 4 ， 8 4 4， 5 6 9号参照） 。

この場合、 光学異方性層と しては第 2のツイス ト液晶パネル あるいは位相差板が用いられるが、 コス トの点からも廷伸され た高分子膜からなる位相差板の方が有利である。

高分子腠をー軸廷伸あるいは異方性ニ軸廷伸する と 、 高分子 は廷神率の最も大きい方向、 すなわち主たる廷伸方向に集中的 に 向し、 光学異方性を示す位相差板となる。 この場合、 廷伸 方向の屈折率を n _e 、 膜面内で廷伸方向と直交する方向すなわ ち輻方向の屈折率を n。 とする と 、 n _e — n。 = A n の値は屈 折率異方性あるいは配向複屈折と呼ばれる。 こ の値は、 高分子 膜の構成単位であるモノ マーに固有の光学異方性すなわち固有 複屈折値と高分子の 向度と によ って決められる。 分子軸方向 の屈折率がそれと直交する方向の屈折率よ り 大きい高分子材料 すなわち正の固有複屈折値を有する高分子材料の廷伸による S 向腠では n _e > n o となる。

これに対して負の固有複屈折値を有する高分子材料の廷伸に よる S向膜では n _e く n。 となる。

屈折率異方性厶 n と膜厚 d との積 A n · d は光路差と啐ばれ る 。 ま た、 主たる 廷伸方向 を便宜上光学軸 と 呼ぶ こ と があ る。

液晶の屈折率異方性 Δ η と液晶層の厚さ d との積厶 n ♦ d に 対して、 位相差板の光路差 Δ η · dを最適に調和させ、 位相差 板の光学軸の向き を液晶分子の配向方向に対して最適の角度に 配置すれば、 液晶パネルの複屈折効果による着色は補償され、 液晶装置を無色化するこ とができ る。

以上は液晶表示装置を正面から観察した場合について述べた ものであるが、 斜め方向から見た場合には液晶曆の Δ η ♦ dお よび位相差板の光路差 Δ η · dの値がと もに変化し、 着色補償 の条件が失なわれる こ とになる。 この場合、 液晶層の Δ η · d と比較して位相差板の Δ η · d の方が大き く 変動するので、 表 示装置の視角依存性を抹除するためには、 位相差板の光路差に おける視角依存性を極力抹除する こ と が最大のポィ ン トであ る。

このよ う な観点から、 複数の位相差板をその光学軸がツイス ト状に配向するよ う に積曆する方法 （特開平 2 - 5 3 0 2 5 ) や、 屈折率異方性が正と負の 2種類の位相差板を延伸方向が互 いに平行になるよ う に重ねて使用する方法 （特開平 2 - 6 7 5 1 8 ) などが提案されているが、 いずれも光路差厶 n ♦ dの視 角伕存性を抹除する こ とができず、 また必要な光路差を得るた めに位相差板の厚さ d を厚く する必要があ り 、 光透過効率が低 下する こ とが大き な欠点である。

そこで本発 ¾は、 光路差の視角依存性の小さい位相差板を複 数の異方性高分子膜の組合せによ って許容し得る厚さの範囲で 構成する こ と 、 およびこれを用いて着色を補償して無色化した S T N型液晶表示装置を提供する こ とである。

[発明の開示 ]

本発明においては、 いずれ fc高分子膜の廷伸によ り 作られる 正の固有複屈折値を有する第 1 の位相差板と、 負の固有複屈折 値を有する第 2の位相差板とを、 それぞれの主たる廷伸方向が 実質的に交差する よう に配置し、 S T N型液晶パネルと ともに 一対の偏光板の間に配設する よう にした。

[図面の箇単な説明 ]

第 1 図は高分子腠を廷伸して作られる位相差板における廷伸 方向とその光学特性との関係を説明するための位相差板の斜視 図、 第 2 図は位相差板の視角伕存性に起因する光路差の変化 を、 本発明の実 ¾例について単独の位相差板についての比較 ί¾ と比較して示す特性図、 第 3図は太発明による液晶表示装置の 一実 ¾例の構成を示す展開斜視図、 第 4図は第 3図に示した * 発明の液晶表示装置における各構成部材の光学的方位の相互関 係を示す正面図である。

[発明を実 ¾するための最良の形態 ]

*発明の実 ¾例を説 ¾するに先立ち、 高分子膜の廷伸によ り 作られる位相差扳における複屈折性および光路差 Δ η · dの視 角依存性について図面を用いて説明する。

第 1 図は高分子腠を廷伸して作られる位相差板 2 0の斜視図 である。

廷伸方向 2 1 の屈折率を n _e と し、 位相差板面内で廷伸方向 に直角な方向すなわち幅方向 2 2 の屈折率を n。 とする と き、 n _e 一 η。 = Δ ηが複屈折性あるいは 向複屈折値と呼ばれ、 この Δ η と位相差板の厚さ d との積厶 n ♦ dが光路差となる。

垂直方向 2 3 から観察した光路差 Δ η · dは、 視線 （観察方 向 ） を延伸方向 2 1 に 向けて視点を真上か ら 曲線矢印 2 4 に 添 っ て 動か す と 、 光路差 A n · d の変化量は第 2 図の曲線 3 1 、 3 2 のよ う に滅少する。 一方、 視線を幅方向 2 2 に向け て視点を真上から曲線矢印 2 5 に添っ て動かすと 、 光路差 Δ η • d の変化量は第 2図の曲線 3 3 、 3 4のよ う に増加する。 したがって、 n _{e l}— !!。，〉 （） である正の固有複屈折値を有す る第 1 の位相差板と 、 n _e2— n 。₂< 0 である負の固有複屈折値 を有する第 2 の位相差板とを、 延#方向が互いにほぽ直交する よう に重ねる と 、 光路差の視角依存性が増加傾向を示す幅方向 と減少傾向を示す廷伸方向とが組合わされ、 その結果と して合 成された視角依存性は第 2図に曲線 3 5 、 3 6 で示すよ う に極 めて小さ く なる。

これに対して屈折率について見る と 、 第 1 および第 2 の位相 差板における大きい方の屈折率どう し （ n _{e l}と n。₂) と小さい 方の屈折率どう し （ n o,と n _e2) とが重ねられるので、 合成さ れる屈折率の異方性 Δ η は充分に大き く な り 、 比較的薄い位相 板によ っても充分な光路差厶 η · d を得る こ とができ る。

なお、 第 2 図は後で説明する実尨 1 および比較例 1 な らび に 4 について、 光路差 Δ η ♦ dの視角依存性による変化量を示 す図である。

こ こ で本発明による液晶表示装置の一実尨^について、 第 3 図および第 4図を参照して説明する。

第 3 図は本発明による液晶表示装置の一実施伢の構成を示す 展開斜視図である。

S T N型液晶バネル 1 0 4の上方に、 正の固有複屈折値を有 する位相差板 1 0 2 と 、 負の固有複屈折値を有する位相差板 1 0 3 とが重ねて S設されており 、 これらが一対の偏光板すな わち上偏光扳 1 0 1 と下儡光坂 1 0 5 の間に 置されている。 下儡光板 1 0 5の下方には、 表示装置を反射型と して観察する ための反射板 1 0 6が g置されている。

第 4図は第 3図に示した各構成部材における光学的方位の相 互閬係を示す正面図である。

液晶パネル 1 0 4は、 正の誘電異方性を有し、 屈折率異方性 Δ η = 0 . 1 5 0 のネマチ ッ ク液晶が、 液晶層厚 d = 6 . 4 it mの間でねじれ角度 2 4 0 。 の左接線ツイス ト構造をとる よ う に 向している S T N型液晶パネルであり 、 その Δ ϋ ♦ d値 は 9 6 0 n mである。

第 4図において、 1 点鎖線 4 1 は液晶屠の上部における液晶 分子の 向方向を示し、 1 点鎖線 4 2 は液晶屠の下部における 液晶分子の配向方向を示す。 上下の 向方向 4 1 , 4 2の間の ツイス 卜角は 2 4 0 ° であ り 、 このツイス ト角を 2等分する方 向を Y ¾とする よう に X — Y直交座標を定める。

負の位相差板 1 0 3 の光路差厶 n * dは一 3 1 O n mで、 そ の主たる廷伸方向は直線 4 3 の方向に向けられており 、 X軸と の間の角度 0 ! は 3 0 。 に設定されている。

正の位相差板 1 0 2の光路差は + 3 1 O n mで、 その主たる 廷伸方向は直線 4 4の方向に向けられており 、 X轴との間の角 度 0 ₂ は 6 0 。 に設定されている。

上儡光板 1 0 1 の儡光軸は直線 4 5 の方向に設定されてお り 、 X軸との間の角度 P i は 7 5 。 に設定されている。 下儡光 板 1 0 5 の偏光轴は直線 4 6 の方向に設定されており 、 X轴と の間の角度 P ₂ は 1 5 ° に設定されている。 こ こ で、 本発明の位相差板の素材について説明する。

なお术発明の位相差板は、 液晶表示装置の他、 工業用光輝性 解析装置、 円偏光二色性装置、 偏光《微鏡、 反射防止板等に有 効に使用される。

固有複屈折値が正の材料と してポリ カーボネー ト樹脂、 セル ロースジアセテー ト樹脂、 ポリ フエ二レンオキサイ ド樹脂、 ボ リエチレンテ レフタ レー トなどのポリエステル樹脂、 ポリ ビニ ルアルコール系樹脂、 負の材料と してポリ （ メ タ ） アク リ ル酵 エステル樹脂、 ポリエチレンなどの不飽和芳香族化合物の樹脂 等の透明なホモポリ マー、 コポリ マーあるいはこれらを主成分 とするブレン ド物、 ポリ マーァロイの位相差板が使用でき る。 特に、 透明性に優れたボリ カーボネー ト樹脂、 セルロースジ アセテー ト樹脂、 メ タク リ ル酸エステルを主成分とするァク リ ル樹脂、 ス チ レ ン を主成分 と す る ス チ レ ン系樹脂が好ま し い o

次に、 これらの高分子材料を延伸して作った固有複屈折値が 正あるいは負の位相差板と、 これらの位相差板をその主たる廷 伸方向がほぼ直交する よ う に組み合せて得た位相差板について

¾定した光路差の視角依存性の結果を第 1 表に示す。

また、 視角依存性と しては第 1 図に示すよ う に廷伸方向およ び幅方向に相当する互いに直交する 2つの方向について視角を 傾斜させた場合に観測される光路差の変化量の絶対偵の平均傕 をパーセン トで表示したものである。 一方の方向に視角を傾斜 させた場合には第 2図に示すよ う に光路差は増加し、 他の方向 については減少するが、 その変化量の絶対値は両方向でほぼ等 しい。 第 1 表 成 視角依存性 （％) 厚 み 光路差

固有複屈折値 （正） 固有複屈折値 (負 )

( J"- m ( n m ) 15° 30。 45° 樹 脂 延伸法 （倍率） 樹 脂 延伸法 （倍率）

403 0 1 2 実施例 1 P C ー铀（2.5) P S ー轴（1.5)

実施例 2 p c ー铀（2.5) P S ー铀（1.5) 246 1 2 4 実施例 3 P C ー轴（2.5) P S ー轴（2.5) 3 7 4 1 4 7 実施例 4 P C ー轴（2.5) P 309 1 3 7

05 丄 ** 4 27 比蛟例 1 P C ー铀（2.5) 2

比較例 2 P s ー轴（2.5) 1 34 - 296 3 8 1 7 比較例 3 P s ニ轴（2.5X 1.1) 122 一 220 5 1 5 34 実施例 5 P C ニ轴（2.2X 1.1) アクリル 一軸（1.5) 522 2 18 1 2 5 実施例 6 P C ー轴（2.2X 1.1) アクリル ニ轴（3.5X 1.1) 522 182 2 5 9 比較例 4 P C ー轴（2.2X 1.1) 1 98 106 7 2 1 42

1 4 8 実施例 7 P C 一軸（2.5) M S 一軸（2.5) 329 340

実施例 8 D AC P s ー铀 U.5) 406 272 1 4 9 比較例 5 D AC 1 9 1 1 50 7 25 56

P c ボリカーボネート樹脂、 出光石油化学 （株） 製、 A - 2500

P s ボリスチレン樹脂、 三菱モンサント （株） 製、 ダイヤフレックス H F— 7

M S MS樹脂、 新日鉄化学 （株） 製、 エスチレン M S— 300

アクリル アクリル樹脂、 協和ガス化学工業 （株） 製、 パラペッ ト SH

D A C セルロースジアセテート樹脂製 1ノ4波長板、 富士写真フィルム （株） 製

q oD o « ~

次に、 太発明者らが種々の素材を用いて種々の条件下で位相 差板を作成した実施例および比較例を示す。

実 ¾例 1 〜 4

ポリ カーボネー 卜樹脂 （出光石油化学 （株） 製、 A - 2 5 0 0 ) から 1 8 5。Cの廷伸洹度で 2 . 5倍の延伸倍率で一定幅一 轴廷伸を行ない厚みが 2 0 5 で光路差が 1 2 4 n mの異方性 フ ィ ルム を得た。 これにポリ スチ レン樹脂 （三菱モンサン ト (株） 製、 ダイヤレッ クス H F — 7 7 ) から 1 2 0。Cの廷伸 濠度で 1 . 5 倍の廷伸倍率で得た 自由辐ー轴廷伸物、 1 . 5 倍、 2 . 5倍の廷伸倍率で得た一定輻ー轴延伸物および 2 . 5 X I . 1 倍の廷伸倍率で得た二軸廷伸物を主たる延伸方向が直 角になるよ う に重ね合せて位相差板を作髮した。

こ れら の視角依存性は第 1 表に示したよ う に小さいもので あ つ に。

なお、 ポリ スチ レン樹脂の異方性フ ィ ルムの厚みと光路差は 各々 2 7 5 /t inと一 1 o n m、 1 b , m i 一 1 n m « 1 3 4 /i mと一 2 9 6 n m、 1 2 2 jtt m と一 2 2 0 n mであ つ た。

比較例 1 〜 3

実旄例 1 に使用したポリ カーボネー 卜樹脂と実尨例 3 , 4 に 使用したポリ スチレン樹脂の異方性フ ィ ルムの視角依存性をそ れぞれ単独で瀏定したが、 第 1 表に示したよ う に大きいもので あ つ 7こ ₀

実 ¾例 5

ポリ カーボネー 卜樹脂から 1 8 0。Cの延伸温度で . 2 . 2 X 1 . 1 倍の廷伸倍率で二軸廷伸を行ない厚みが 1 9 8 it mで光 路差が 1 0 6 n mの異方性フ ィ ルムを得た。 これにアク リ ル澍 脂 （協和ガス化学工業 （株） 製、 ノ、 'ラベッ ト S H ) から 1 3 0 °Cの廷伸溘度で 1 . 5 倍の廷#倍率で作製した厚みが 3 2 4 mで光路差が一 1 3 8 n mの一定幅一 ft廷伸物を主たる廷伸 方向に直角になるよう に重ね合せて位相差板を作製した。

この位相差板の視角依存性は第 1 表に示したよう に小さいも のであ っ た。

ァク リ ル樹脂の異方性フ ィ ルム僳で酵酸ブチルおよび トルェ ンに対する耐溶剤性テス トを行なったが、 白化その他の変化も な く 良好であ った。

比較例 4

実施伢 5 にボリ カーボネー ト樹脂の異方性フ ィ ルムの視角伕 存性を単独で «定したが、 第 1 表に示したよう に大きいもので あっ た。 また酢酸ブチルおよび トルエンによる酣溶剤性試験で 白化した。

実 ¾例 6

実施例 5 に使用のポ リ カーボネー 卜攆脂の異方性フ ィ ルム に、 アク リ ル樹脂から 1 3 0。Cの廷伸溘度で 3 . 5 X 1 . 5倍 の廷伸条件で得た厚みが 3 2 4 i mで光路差が - 1 0 9 n mに 二軸廷伸物を主たる廷伸方向が直角になる よう に重ね合せ位相 差板を作製した。

この位相差板の視角依存性は第 1 表に示したよう に小さいも のであった。 またこのアク リ ル ¾脂の異方性フ ィ ルムはー轴廷 伸物に比べ強度が高く 、 取扱いも容易で、 これから作製された 位相差板も衝擊強度が向上した。

実旌例 7 実施例 1 に使用したポリ カーボネー 卜樹脂の異方性フ ィ ルム に、 M S樹脂 （新 日鉄化学 （株） 製、 エスチ レン M S - 3 0 0 ) から 1 3 0 。Cの延伸箧度で 2 . 5倍の廷#倍率で作製した 厚みが 1 2 4 /t mで光路差が一 2 5 4 n mの一定幅一軸廷伸物 を主たる廷伸方向が直角になる よ う に重ね合せ位相差板を作製 した。

こ の位相差板の視角依存性は第 1 表に示したよう に小さいも のであ っ た。

実旄倂 8

セ ルロ ースジアセテー ト樹脂製の 1 ノ 4波長板 （富士写真 フ ィ ルム （株） 製、 フ ジタ ッ ク ） に実 ¾例 2 に使用したポ リ ス チ レン樹脂の一定幅一軸延伸物を主たる廷伸方向が直角になる よ う に重ね合せ位相差板を作製した。

この位相差板の視角依存性は第 1 表に示したよ う に小さいも のであ っ た。

比較例 5

実施例 8 に使用したセルロースジァセテー ト樹脂製の 1 ノ 4 波長板の視角依存性を翻定したが、 第 1 表に示したよ う に大き いものであ っ た。

第 3 図および第 4図に示すよ う に構成された液晶表示装置に おいては、 液晶パネルの複屈折性の波長依存性に起因する着色 減少が効果的に抹除され、 実質的に無色化された白黒表示が実 現される こ とが発 ¾者らによ り 確認された。 さ らに、 視角依存 性も最小限に抑えられ、 全方向に対して視角の傾斜角が 4 5 ° 前後までは表示の品質に実質的な変化が認められなかっ た。

なお、 反射板 1 0 6 は液晶表示装置を反射型で観察するため の部材で あ り 、 透過型で観察す る 場合に は不要な もので あ る。

上記の実尨例ではツイス ト角 2 4 0 ° の S T N型液晶パネル を例示したが、 複屈折効果に起因する着色が閩題となる液晶パ ネル全般に対して： *：発 ¾は有効であり 、 実用的にはツイス ト角 1 8 0 。 〜 3 0 0 。 の S T N型液晶パネルを対象とするもので ある。

また、 太発明においては、 固有複屈折値が正と負との少なく と も一対の位相差板をそれぞれの主たる廷伸方向が交差する よ う に 置する こ とが重要であるが、 その交差角は実 ¾钧に示し たよう に 9 0 ° 直交である必要はない。

それぞれの位相差板の光路差 Δ η · d と液晶パネルの Δ η ♦ dおよび液晶分子の 向方向との相対的な配置角度などを総合 的に最適化する こ とが必要であるが、 正と負の位相差板を交差 させる こ と の効果は、 9 0 。 直交を中心と して交差角 9 0 。 ± 3 5 。 の範囲で有効に発揮される。

さ らに上記実尨例においては、 正と負の一対の位相差板を液 晶パネルの片側に重ねて S設ているが、 さ らに別の複数枚の位 相差板を組み合せ、 液晶パネルの両側に配置するこ とによ って も、 液晶表示装置の無色化と視角依存性の抹除とを最邃化する こ とができる。

*発明においては固有複屈折値が正と負の位相差板を交差さ せる こ と によ って、 視角依存性を互いに打ち消すと同時に屈折 率異方性を重ねて合成しているので、 比較的薄い位相差板の組 合せで充分な光路差が得られ、 光の吸収による損失を低滅する こ とができ る。 したがって、 S T N型液晶表示装置における着色の無色化、 視角依存性の抹除と同時にコ ン ト ラス ト と明るさの向上、 表示 装置の薄型化にも極めて有効である。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 正の誘電異方性を有しねじれ角度が 1 8 0。 〜 3 0 0 。 の ツイス ト構造を有するネマチッ ク液晶層と該液晶曆を挟持する 一対の電極基板とからなる液晶パネルと、 該液晶パネルの両側 に S置された一対の儡光板と、 該一対の偏光板の間に配置され た色補償用の位相差板とを有する液晶表示装置において、 前記 位相差板は正の固有複屈折値を有する第 1 の位相差板と、 負の 固有複屈折値を有する第 2の位相差板の少なく とも 2枚の位相 差板の組み合せからなり 、 前記第 1 および第 2の位相差板はい ずれも高分子膜の廷伸によ り作られ、 それぞれの主たる廷伸方 向が 9 0 。 ± 3 5 。 の角度範囲で互いに交差する よう に配設さ れている こ とを特徴とする液晶表示装置。

2 . 前記位相差板が高分子膜の一 ¾廷#物または異方性ニ轴廷 伸物である こ とを特徴とする請求項 1 に記載の液晶表示装置。

3 - 前記第 1 の位相差板がポリ カーボネー 卜樹脂またはセル ロースジアセテー ト樹脂の廷伸フ ィ ルムであるこ とを特摄とす る請求項 1 または 2 に記載の液晶表示装置。

4 . 前記第 2 の位相差板がアク リ ル街脂またはスチ レン系構脂 の廷伸フ ィ ルムである こ とを特徴とする請求項 1、 2 または 3 に記載の液晶表示装置。

5 . 正の固有複屈折値を有する第 1 の位相差板と、 負の固有複 屈折値を有する第 2の位相差板との少な く とも 2枚の位相差板 の積屠体から成り 、 前記第 1 および第 2 の位相差板はいずれも 高分子膜の廷伸によ り 作られ且つそれぞれの主たる廷伸方向が 9 0 。 ± 3 5 。 の角度範囲で互いに交差する よ う に 設されて いる こ と を特徴とする位相差板。