WO2006030512A1 - 液晶表示素子 - Google Patents

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WO2006030512A1
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display element
crystal display
retardation plate
plate
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Yuzo Hisatake
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Toshiba Matsushita Display Technology Co., Ltd.
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    • G02F2413/04—Number of plates greater than or equal to 4

Definitions

  • the present invention relates to a liquid crystal display element, and more particularly to a circularly polarized light-driven vertical alignment mode liquid crystal display element.
  • Liquid crystal display devices have various features such as thinness, light weight, and low power consumption, and are applied to various uses such as office equipment, information terminals, watches, and televisions.
  • a liquid crystal display device having a thin film transistor hereinafter referred to as TFT
  • TFT thin film transistor
  • OCB Optically Compensated Birefringence
  • VAN Vertically Aligned Nematic
  • HAN Hybrid Aligned Nematic
  • ⁇ -alignment mode and surface-stabilized ferroelectric liquid crystal (SSFLC) mode and anti-ferroelectric liquid crystal (AFLC) mode using smectic liquid crystal It is being considered.
  • SSFLC surface-stabilized ferroelectric liquid crystal
  • AFLC anti-ferroelectric liquid crystal
  • the VAN mode in particular, can obtain a faster response speed than the conventional TN (Twisted Nematic) mode, and can further perform rubbing processing that causes defects such as electrostatic breakdown vertically. It has the feature that it can be made unnecessary by orientation.
  • the orientation-divided VAN mode (hereinafter referred to as MVA mode) is attracting particular attention because it is relatively easy to expand the viewing angle.
  • the MVA mode mask rubbing, a device electrode structure is devised, a protrusion is provided in the pixel, and the electric field applied from the pixel electrode and the counter electrode to the pixel region is thereby Controlling the tilt is done.
  • the pixel area of the liquid crystal layer is divided into, for example, four domains in which the alignment direction of the liquid crystal molecules forms an angle of 90 ° with each other when a voltage is applied, thereby improving the symmetry of the viewing angle characteristics and suppressing the inversion phenomenon. Is realized.
  • the viewing angle dependence of the retardation of the liquid crystal layer in a state where the liquid crystal molecules are arranged substantially perpendicular to the main surface of the substrate, that is, in the black display state is compensated using a negative retardation plate, thereby Contrast to viewing angle (CR) is good.
  • this negative retardation plate is a biaxial retardation plate having an in-plane retardation that compensates for the viewing angle dependence of the polarizing plate, even better viewing angle contrast characteristics can be realized.
  • each pixel is oriented and divided, so that the orientation dividing boundary and the orientation dividing structure, the in-pixel protrusion and the pixel electrode slit, the schlieren orientation and unintentional orientation
  • a region arranged in an orientation different from the liquid crystal orientation is formed, such as the orientation of the liquid crystal.
  • Tlp (LC) J Q -sin 2 (26>)-sin 2 ( ⁇ , ⁇ ,... (1)
  • I is the transmittance of linearly polarized light parallel to the transmission axis of the polarizing plate
  • ⁇ is the angle formed between the slow axis of the liquid crystal layer and the optical axis of the polarizing plate, V is the applied voltage, d is the thickness of the liquid crystal layer, and ⁇ is the wavelength of light incident on the liquid crystal display element .
  • the refractive index anisotropy ⁇ ( ⁇ , V) depends on the effective applied voltage in the region and the tilt angle of each nematic liquid crystal molecule.
  • the transmittance Tcp (LC) does not depend on the orientation of liquid crystal molecules. Therefore, even if there is a region arranged in an orientation different from the liquid crystal alignment orientation, such as schlieren orientation or unintentional orientation orientation in the vicinity of the orientation division boundary and the orientation division structure, even the tilt of the liquid crystal molecules If it can be controlled, a desired transmittance can be obtained.
  • the conventional circularly polarized MVA mode has a problem of narrow viewing angle characteristics.
  • FIG. 9 shows an example of a cross-sectional structure of a conventional circularly polarized light-driven MVA mode liquid crystal display element.
  • the first substrate 13 is provided with a common electrode 9 with ITO (indicum 'tin' oxide) force provided on the inner surface thereof, and the inside of the pixel is oriented and divided on the common electrode 9.
  • Protrusions 12 for carrying out are provided.
  • the second substrate 14 facing this is provided with a pixel electrode 10 having an ITO force provided on its inner surface, and with a slit 11 (region without a pixel electrode) for orientation division within the pixel.
  • a nematic liquid crystal 7 with negative dielectric anisotropy is sandwiched between the common electrode 9 and the pixel electrode 10, and the liquid crystal molecules 8 are almost perpendicular to the main surface of the substrate when no voltage is applied. Orientation treatment is performed to arrange them.
  • the liquid crystal cell having such a structure includes phase difference plates 3 and 4 and polarizing plates 5 and 6 provided on both outer surfaces thereof.
  • Retardation plates 3 and 4 are uniaxial quarter-wave plates having refractive index anisotropy as shown in FIG. 4, and their slow axes are the transmission axes of polarizing plates 5 and 6 and ⁇ ⁇ 4 ( rad).
  • the pair of retardation plates 3 and 4 have a structure in which the respective slow axes are orthogonal to each other, and thus function as a negative retardation plate. For example, a negative phase difference of about 280 nm is given to light with a wavelength of 550 nm.
  • the liquid crystal layer 7 is obtained by multiplying the refractive index anisotropy ⁇ n of the material by the liquid crystal layer thickness d to obtain a half-wavelength phase difference change by electric field control.
  • the total phase difference of the liquid crystal display element does not become zero, and the viewing angle characteristics during black display deteriorate.
  • the viewing angle dependence of the polarization characteristics of the circularly polarized light incident on the liquid crystal layer is caused by the viewing angle characteristics of the polarizing plate.
  • the conventional circularly polarized light-driven MVA mode solves the above-described problem of low transmittance by using incident light incident on the liquid crystal layer as substantially circularly polarized light, but it is incident on the liquid crystal layer. Since there is no means for compensating for the viewing angle dependency of the circularly polarized light and the viewing angle dependency of the phase difference of the liquid crystal layer, there is a problem that the contrast viewing angle is narrow.
  • FIG. 10 is an example of measurement results of isocontrast curves of the liquid crystal display element having the structure shown in FIG.
  • the orientations of 0 degrees (deg.) And 180 degrees (deg.) Correspond to the horizontal direction of the screen
  • the orientations of 90 degrees (deg.) And 270 degrees (deg.) Correspond to the vertical direction of the screen.
  • the field of view with a contrast ratio of 10: 1 or more is as narrow as about ⁇ 40 ° in the top, bottom, left, and right. No practical characteristics could be obtained.
  • a biaxial quarter-wave plate having refractive index anisotropy as shown in Fig. 12 is used instead of the uniaxial quarter-wave plate to enter the liquid crystal layer.
  • FIG. 11 shows an example of a cross-sectional structure of a circularly polarized light-driven MVA mode liquid crystal display device using the biaxial quarter wave plate 15 shown in FIG.
  • the refractive index ellipsoid of the quarter-wave plate used is nx> ny> nz as shown in Fig. 12, so the in-plane phase difference is a quarter wavelength, If the in-plane slow axes are arranged so as to be orthogonal to each other, it functions as a negative retardation plate, so controlling the retardation value compensates for the phase difference in the normal direction of the liquid crystal layer, Viewing angle characteristics are improved.
  • FIG. 13 is an actual measurement result of the isocontrast curve of the circularly polarized light-driven MVA mode liquid crystal display element shown in FIG.
  • the field of view is slightly enlarged and the characteristics It can be seen that improvements have been made.
  • the field of view with a contrast ratio of 10: 1 or more is as wide as about ⁇ 80 °, but the vertical and horizontal directions are about ⁇ 40 °.
  • the retardation in the normal direction of the liquid crystal layer is improved to some extent by the biaxial quarter-wave plate described above, a film that can actually be used is a polymer film. This is because it is difficult to match the chromatic dispersion of the phase difference.
  • it when viewed as a circularly polarizing plate, it does not have a structure for obtaining sufficient viewing angle characteristics, which also contributes to the viewing angle characteristics of the contrast ratio described above.
  • FIG. 14 shows an example of a cross-sectional structure of a circularly polarized light-driven MVA mode liquid crystal display device using the biaxial quarter wave plate 16 shown in FIG.
  • the refractive index anisotropy of the quarter-wave plate used is xn> ny ⁇ nz as shown in FIG.
  • a quarter wave plate 16 and polarizing plates 5 and 6 are arranged on the outer surface of the MVA mode liquid crystal cell.
  • FIG. 16 is an actual measurement result of the isocontrast curve of the circularly polarized light-driven MVA mode liquid crystal display element shown in FIG.
  • a region having a contrast ratio of 1: 1 or less is generated, and it can be seen that the viewing angle characteristics are narrower than those in FIGS.
  • This characteristic is partly because, like the structure shown in FIG. 11, it should be a structure that obtains a sufficient viewing angle characteristic when viewed as a circularly polarizing plate.
  • both the structure shown in FIG. 11 and the structure shown in FIG. 14 use biaxial quarter-wave plates. Since such a biaxial retardation plate is obtained by biaxially stretching a polymer film, it has a problem that the production cost is increased.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a liquid crystal display element capable of improving viewing angle characteristics and reducing the cost. There is.
  • the liquid crystal display element according to the first aspect of the present invention provides:
  • a dot matrix type liquid crystal cell having a liquid crystal layer sandwiched between two substrates with electrodes is arranged between a first polarizing plate located on the light source side and a second polarizing plate located on the observation side, and the first polarizing plate And a liquid crystal cell, a first retardation plate is disposed between the second polarizing plate and the liquid crystal cell, and a liquid crystal molecular arrangement of each pixel is arranged.
  • a circularly polarized liquid crystal display element of a vertical polarization mode oriented substantially perpendicular to the main surface of the substrate when no voltage is applied to the pixel,
  • a circular polarizer structure comprising the first polarizing plate and the first retardation plate;
  • variable retarder structure comprising the liquid crystal cell
  • a circular analyzer structure including the second polarizing plate and the second retardation plate
  • a liquid crystal display element configured in the order of the light source, the circular polarizer structure, the variable retarder structure, and the circular analyzer structure;
  • the first retardation plate and the second retardation plate are predetermined to transmit the fast axis and the slow axis.
  • a uniaxial quarter-wave plate that gives a phase difference of 1Z4 wavelength between wavelengths of light, and the circular polarizer structure is configured such that the polarization state of outgoing light emitted from the circular polarizer does not depend on the outgoing direction.
  • a liquid crystal display device according to a second aspect of the present invention provides:
  • a dot matrix type liquid crystal cell having a liquid crystal layer sandwiched between two substrates with electrodes is arranged between a first polarizing plate located on the light source side and a second polarizing plate located on the observation side, and the first polarizing plate And a liquid crystal cell, a first retardation plate is disposed between the second polarizing plate and the liquid crystal cell, and a liquid crystal molecular arrangement of each pixel is arranged.
  • a circularly polarized liquid crystal display element of a vertical polarization mode oriented substantially perpendicular to the main surface of the substrate when no voltage is applied to the pixel,
  • a circular polarizer structure comprising the first polarizing plate and the first retardation plate;
  • variable retarder structure comprising the liquid crystal cell
  • a circular analyzer structure including the second polarizing plate and the second retardation plate
  • a liquid crystal display element configured in the order of the light source, the circular polarizer structure, the variable retarder structure, and the circular analyzer structure;
  • the first retardation plate and the second retardation plate are uniaxial quarter wave plates that give a phase difference of 1Z4 wavelength between light of a predetermined wavelength that passes through the fast axis and the slow axis,
  • an optically negative uniaxial fourth retardation with a refractive index anisotropy of nx ny> nz. It is characterized by the arrangement of plates.
  • the region in which the liquid crystal molecules constituting the liquid crystal layer are arranged in an orientation other than the intended orientation inevitably increases, that is, the orientation of the liquid crystal molecules in the pixel when a voltage is applied.
  • Alignment-divided vertical alignment with uniform liquid crystal molecular alignment It is a mode (referred to as MVA mode).
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a cross-sectional structure of a liquid crystal display element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the shape of the refractive index ellipsoid of the fourth retardation plate applicable to the liquid crystal display element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the shape of a refractive index ellipsoid of a third retardation plate applicable to the liquid crystal display element shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the shapes of refractive index ellipsoids of a first retardation plate and a second retardation plate applicable to the liquid crystal display element shown in FIG. 1.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a compensation principle of contrast viewing angle characteristics of the liquid crystal display element shown in FIG. 1.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of an isocontrast curve of the liquid crystal display element according to Embodiment 1.
  • FIG. 7A is a diagram showing an example of an isocontrast curve of the liquid crystal display element according to Embodiment 2, which is configured by rubbing in an orientation parallel to the absorption axis of a polarizing plate.
  • FIG. 7B shows an example of an isocontrast curve of the liquid crystal display element according to Embodiment 2, which is configured by rubbing in an azimuth direction of 45 ° with respect to the absorption axis of the polarizing plate.
  • FIG. 8A is a liquid crystal display element according to Embodiment 3, and uses xy color for explaining an example of viewing angle characteristics of chromaticity during black display when a liquid crystal polymer is applied as a fourth retardation plate. It is a degree coordinate.
  • FIG. 8B is a liquid crystal display element according to Embodiment 3 for explaining an example of the viewing angle characteristics of chromaticity during black display when Arton resin is applied as the fourth retardation plate. This is the xy chromaticity coordinate.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining an example of a cross-sectional structure of a conventional liquid crystal display element.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of an isocontrast curve of the liquid crystal display element shown in FIG. The
  • FIG. 11 is a diagram for explaining an example of a cross-sectional structure of a conventional liquid crystal display element.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining the shape of the refractive index ellipsoid of the biaxial quarter-wave plate used in the liquid crystal display element shown in FIG. 11.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of an isocontrast curve of the liquid crystal display element shown in FIG.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining an example of a cross-sectional structure of a conventional liquid crystal display element.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the shape of a refractive index ellipsoid of a biaxial quarter-wave plate used in the liquid crystal display element shown in FIG.
  • FIG. 16 is a diagram showing an example of an isocontrast curve of the liquid crystal display element shown in FIG.
  • liquid crystal display element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the liquid crystal display element described here is an MVA mode liquid crystal cell that is one of the birefringence modes in which the refractive index in the substrate normal direction in the liquid crystal layer is larger than the refractive index in the predetermined direction in the substrate plane.
  • the present invention can also be applied to configurations including other birefringence mode liquid crystal cells.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a liquid crystal display element according to an embodiment.
  • the liquid crystal display element is a circularly polarized liquid crystal in a vertical polarization mode, in which the liquid crystal molecular alignment of each pixel is aligned substantially perpendicular to the main surface of the substrate when no voltage is applied to the pixel.
  • the display element includes a circular polarizer structure P, a variable retarder structure VR, and a circular analyzer structure A.
  • the variable retarder structure VR includes a dot matrix type liquid crystal cell C in which a liquid crystal layer is sandwiched between a pair of substrates, that is, two substrates with electrodes. That is, this liquid crystal cell C is an MVA mode liquid crystal cell and has a structure in which the liquid crystal layer 7 is sandwiched between the active matrix substrate 14 and the counter substrate 13. These active matrix substrates 14 and The distance from the counter substrate 13 is kept constant by a spacer (not shown).
  • the active matrix substrate 14 includes an insulating substrate having optical transparency such as a glass substrate. On one main surface of the active matrix substrate 14, various wiring such as scanning lines and signal lines, scanning lines and signal lines, and However, it is omitted because it is not related to the operational effects of the invention. Further, the active matrix substrate 14 includes the pixel electrode 10 thereon. The surface of the pixel electrode 10 is covered with an alignment film.
  • Various wirings such as a scanning line and a signal line are formed of aluminum, molybdenum, copper, or the like.
  • the switching element is, for example, a thin film transistor (TFT) in which amorphous silicon or polysilicon is used as a semiconductor layer and aluminum, molybdenum, chromium, copper, tantalum, or the like is used as a metal layer.
  • TFT thin film transistor
  • the switching element is connected to the scanning line, the signal line, and the pixel electrode 10.
  • the active matrix substrate 14 can selectively apply a voltage to a desired pixel electrode 10.
  • the pixel electrode 10 can be formed of a light-transmitting conductive material such as ITO (indium tin oxide).
  • the pixel electrode 10 is formed by, for example, forming a thin film by sputtering or the like and then patterning the thin film using a photolithography technique and an etching technique.
  • the alignment film is constituted by a thin film having a light-transmitting resin material power, such as polyimide.
  • the alignment film is not subjected to rubbing treatment, and the liquid crystal molecules
  • the counter substrate 13 includes an insulating substrate having optical transparency such as a glass substrate, and includes a common electrode 9 on one main surface thereof.
  • the surface of the common electrode 9 is covered with an alignment film.
  • the common electrode 9 can be formed of a light-transmitting conductive material, for example, ITO.
  • the alignment film can be formed of a light-transmitting resin material, such as polyimide, similarly to the alignment film on the active matrix substrate 14 side.
  • the common electrode 9 is formed as a flat continuous film so as to face all the pixel electrodes without a break.
  • the liquid crystal cell C When configured as a color liquid crystal display element, the liquid crystal cell C includes a color filter layer. ing.
  • the color filter layer is composed of colored layers colored in three primary colors such as blue, green and red. This color filter layer may be provided between the insulating substrate on the active matrix substrate 14 side and the pixel electrode 10 to adopt a COA (color filter on array) structure, or may be provided on the counter substrate 13.
  • COA color filter on array
  • a contact hole is provided in the color filter layer, and the pixel electrode 10 is connected to the switching element through this contact hole.
  • Such a COA structure has the advantage that high-precision alignment using alignment marks or the like is not required when the active cell substrate 14 and the counter substrate 13 are bonded to form the liquid crystal cell C. And then.
  • liquid crystal layer 7 F-type liquid crystal manufactured by Merck Co., Ltd. was used as a nematic liquid crystal material having negative dielectric anisotropy.
  • the refractive index anisotropy ⁇ of the liquid crystal material used here is 0.102 (measurement wavelength is 550 nm.
  • the refractive index and retardation of the retardation plate are all measured values at a wavelength of 550 nm).
  • the thickness d of layer 7 is 3.7 m. Therefore, A n′d of the liquid crystal layer 7 is 377 ⁇ m.
  • the circular polarizer structure P is disposed between the light source, that is, the knock light unit BL and the variable retarder structure VR.
  • the circular polarizer structure P includes a first polarizing plate 6 located on the backlight unit BL side of the liquid crystal cell C, and a first retardation plate 4 disposed between the first polarizing plate 6 and the liquid crystal cell C. Out.
  • the circular analyzer structure A is arranged on the observation surface side facing the backlight unit BL with respect to the variable retarder structure VR.
  • the circular analyzer structure A includes a second polarizing plate 5 located on the observation surface side of the liquid crystal cell C, and a second retardation plate 3 disposed between the second polarizing plate 5 and the liquid crystal cell C. It is out.
  • the first polarizing plate 6 and the second polarizing plate 5 have a transmission axis and an absorption axis substantially orthogonal to each other in the plane.
  • the first retardation plate 4 and the second retardation plate 3 have a fast axis and a slow axis that are substantially orthogonal to each other in the plane, and the fast axis and the slow axis are respectively set.
  • This is a uniaxial quarter-wave plate that gives a phase difference of 1Z4 wavelength between light of a predetermined wavelength (for example, 550 nm).
  • the first retardation plate 4 and the second retardation plate 3 are arranged so that their slow axes are orthogonal to each other.
  • the liquid crystal display element is configured by laminating the backlight unit BL, the circular polarizer structure P, the variable retarder structure VR, and the circular analyzer structure A in this order.
  • the circular polarizer structure P has a viewing angle of the polarizer so that the polarization state of the light emitted from the circular polarizer structure is substantially circular polarization regardless of the emission direction.
  • the first compensation means 2 for compensating the characteristics (visual characteristics due to the first polarizing plate) is provided, and the variable retarder structure VR further comprises the second compensation means 1 for compensating the viewing angle characteristics of the phase difference of the liquid crystal cell C. ing.
  • a third phase difference plate (A plate) 2 for the shaft is provided.
  • the third retardation plate 2 is disposed so that its slow axis is substantially parallel to the transmission axis of the first polarizing plate 6.
  • An optically negative uniaxial fourth retardation plate (C plate) 1 is provided. In the embodiment shown in FIG. 1, the fourth retardation plate 1 is disposed between the liquid crystal cell C and the second retardation plate 3.
  • nx and ny indicate the refractive indexes in the in-plane direction of the respective retardation plates, and nz indicates the refractive index in the normal direction with respect to each surface.
  • FIG. 5 is a diagram conceptually showing the polarization state in each optical path for explaining the optical principle of the viewing angle characteristic of the liquid crystal display element shown in FIG.
  • a fourth retardation plate (C plate) 1 that is an optically negative uniaxial medium is used, and the first retardation plate 4 and the second retardation plate that are separately provided.
  • the fourth retardation plate 1 having such a compensation function is connected between the first retardation plate 4 and the second retardation plate 3, that is, between the liquid crystal layer 7 and the first retardation plate 4. Alternatively, it is provided between the second phase difference plate 3.
  • the light incident on the first retardation plate 4 and the second retardation plate 3 is linearly polarized light
  • the light emitted from the first retardation plate 4 and the second retardation plate 3 is emitted at the exit angle and the exit azimuth. Regardless of this, it becomes substantially circularly polarized light.
  • the fourth retardation plate 1 when the fourth retardation plate 1 is positioned between the liquid crystal layer 7 and the second retardation plate 3, the light incident on the liquid crystal layer 7 becomes circularly polarized light regardless of the incident angle and direction. . Even if the circularly polarized light becomes elliptically polarized light due to the phase difference in the normal direction of the liquid crystal layer 7, it is returned to circularly polarized light by the action of the fourth retardation plate 1. The light incident on the two phase difference plate 3 becomes circularly polarized light regardless of the incident angle and the incident direction. Therefore, good display characteristics can be obtained regardless of the viewing direction.
  • the fourth retardation plate 1 When the fourth retardation plate 1 is positioned between the liquid crystal layer 7 and the first retardation plate 4, the light incident on the fourth retardation plate 1 is a circle regardless of the incident angle or the incident direction. It becomes polarized light. Even if the circularly polarized light becomes elliptically polarized light due to the phase difference of the normal direction of the fourth retardation plate 1, it is returned to circularly polarized light by the action of the liquid crystal layer 7. The light incident on the phase difference plate 3 becomes circularly polarized light regardless of the incident angle and incident direction. Therefore, as in the case where the fourth retardation plate 1 is disposed between the liquid crystal layer 7 and the second retardation plate 3, good display characteristics can be obtained regardless of the viewing direction.
  • a biaxial quarter-wave plate with a refractive index anisotropy of nx> ny> nz 15 The slow axes of the pair of quarter wave plates 15 are orthogonal to each other.
  • These quarter-wave plates 15 have the function of simultaneously realizing the functions of the fourth retardation plate 1 and the first retardation plate 4 and the second retardation plate 3 employed in the above-described embodiment.
  • the light emitted from the biaxial quarter-wave plate inevitably becomes elliptically polarized light.
  • the light emitted from the biaxial quarter-wave plate is polarized with an orientation in the major axis direction of the ellipse.
  • the transmittance characteristic depends on the liquid crystal molecule alignment orientation, and as shown in FIG. 13, a sufficient viewing angle compensation effect cannot be obtained depending on the orientation.
  • the polarized light incident on the liquid crystal layer 7 and the fourth retardation plate 1 that compensates for the phase difference in the normal direction of the liquid crystal layer 7 is azimuthally polarized. ⁇ ! Since circularly polarized light is used, the above-mentioned problems do not occur, and a compensation effect independent of the orientation can be obtained.
  • a first compensation that compensates the viewing angle characteristics of the first polarizing plate 6 between the first wave plate 4 and the first polarizing plate 6 located on the incident light side is provided.
  • the structure without the third retardation plate 2 is equivalent to the structure shown in FIG. 11 as the optical structure of the entire element, and the total phase difference is the same as the structure shown in FIG.
  • the number of optical members used is different.
  • the liquid crystal molecules 7 and the fourth phase plate 1 that compensates for the phase difference in the normal direction of the liquid crystal layer 7 are not polarized so that the liquid crystal molecules are not converted into circularly polarized light.
  • Optical compensation independent of the array orientation is performed. That is, even if the fourth retardation plate 1, the third retardation plate 2, the first retardation plate 4 and the second retardation plate 3 described in this embodiment are employed, the description has been given with reference to FIG. The same effect cannot be obtained unless the structure is such.
  • the polarized light incident on the first retardation plate 4 is elliptical depending on the incident direction. Since it becomes polarized light, it does not become circularly polarized light even if it passes through the first retardation plate 4, and the above-mentioned effects cannot be obtained. Even if the third retardation plate 2 is disposed between the second polarizing plate 5 and the second retardation plate 3, the viewing angle characteristics of the first polarizing plate 6 are not compensated for. The light emitted from 4 becomes elliptically polarized light, and the above-described effects cannot be obtained.
  • the liquid crystal molecular arrangement in the pixel is controlled to face at least two directions in a state where the voltage is applied.
  • This is an alignment-divided vertical alignment mode, in which the alignment orientation of liquid crystal molecules in the pixel in a state where a voltage is applied to at least half of the opening region in each pixel is the absorption of the second polarizing plate 5 It should be controlled so that it is substantially parallel to the axis or transmission axis.
  • alignment control is performed by providing alignment division control protrusions 12 in the pixels.
  • This can be achieved by providing a slit 11 for controlling alignment division in a part of the pixel electrode 10, and the liquid crystal layer 7 in the active matrix substrate 14 and the counter substrate 13.
  • It can also be realized by providing an alignment film that has been subjected to an alignment treatment such as rubbing for alignment division control on the surface sandwiching the film.
  • an alignment treatment such as rubbing for alignment division control
  • the transmittance does not depend on the liquid crystal molecule alignment direction in the pixel in a state where a voltage is applied. Therefore, if the liquid crystal layer 7 and the fourth retardation plate 1 can obtain a half-wave phase retardation, excellent transmittance characteristics can be obtained regardless of the liquid crystal molecular alignment orientation.
  • the alignment division is performed so that the phase difference of the half wavelength described above can be obtained without depending on the incident angle of light.
  • the liquid crystal molecule alignment direction is preferably set to be parallel to the transmission axis or absorption axis of the polarizing plate.
  • the fourth retardation plate 1 has a C plate layer made of either chiral nematic, cholesteric, or discotic liquid crystal polymer. You may comprise with a film.
  • the fourth retardation plate 1 is applied for the purpose of compensating for the phase difference in the normal direction of the liquid crystal layer 7.
  • the phase difference of the liquid crystal layer 7 to be compensated has chromatic dispersion.
  • the fourth retardation plate 1 as a compensation plate also has the same chromatic dispersion. A better compensation effect can be obtained. Therefore, it is better to form the fourth retardation plate 1 with a liquid crystal polymer as described above.
  • the fourth retardation plate 1 is formed on the second retardation plate 3 (on the surface facing the liquid crystal cell C) with the C plate layer being formed, the fourth retardation plate 1 is formed. Since the base film and the second phase difference plate 3 can be integrated together, the number of members and the overall layer thickness can be reduced, which is advantageous for thinning.
  • the third retardation plate 2 has an in-plane structure such as arton resin, polybulal alcohol resin, zeonoir resin, triacetyl cellulose resin. It is desirable that the retardation value be formed of any resin that is almost independent of the incident light wavelength.
  • the third retardation plate 2 employed here is polarized light. It has a function to compensate the viewing angle characteristics of the plate.
  • the viewing angle characteristic of the polarizing plate is almost independent of the wavelength. Therefore, unlike the fourth retardation plate 1 described above, it is desirable that the wavelength dispersion of the retardation of the third retardation plate 2 that is a compensation plate is also smaller. Therefore, it is more effective to configure the third retardation plate 2 using the above-described material having a small wavelength dispersion of the retardation.
  • the liquid crystal display element according to this embodiment can control each wavelength dispersion individually by separating the viewing angle compensation function of the liquid crystal layer 7 and the viewing angle compensation function of the polarizing plate. As a result, it is possible to obtain an effect that the compensation effect on the wavelength is excellent as compared with the conventional configuration in which this is simultaneously performed.
  • the fourth retardation plate has an in-plane direction refractive index of nxy (C) and a normal direction refractive index of nz (C),
  • the thickness is d (C)
  • the refractive index anisotropy of the liquid crystal material of the liquid crystal layer 7 in the liquid crystal cell C is An (LC)
  • the thickness of the liquid crystal layer 7 in the liquid crystal cell C is d (LC).
  • the phase difference in the normal direction of the liquid crystal layer 7 due to the above-described fourth retardation plate 1 is represented by An (LC) Xd (LC).
  • the phase difference in the normal direction of the first phase difference plate 4 and the second phase difference plate 3 (both are quarter wave plates) is expressed by ⁇ 2. Therefore, when the phase difference in the normal direction of the quarter-wave plate is eliminated by making the quarter-wave plate biaxial, the phase difference in the normal direction of the liquid crystal layer 7 is eliminated.
  • the phase difference ⁇ nxy (C) —nz (C) ⁇ Xd (C) of the four phase difference plate 1 becomes An (LC) X d (LC).
  • the polarization degree of the polarizing plate is assumed to be ⁇
  • the phase difference ⁇ nxy (C) nz (C) ⁇ Xd (C) of the fourth retardation plate is represented by An (LC) Xd (LC) — ⁇ Z2 is desirable.
  • the optimum absolute value of the phase difference is the phase difference of the fourth phase difference plate 1.
  • An (LC) Xd (LC) which is the optimum value when the polarization degree of the polarizing plate is assumed to be ⁇ , and the polarization state larger than ⁇ 2 is just the opposite shape. Note that ⁇ n (LC) X d (LC) is a necessary condition for obtaining the compensation effect described above.
  • the first retardation plate 4 and the second retardation plate 3 are uniaxial quarter-wave plates made of Nitto Denko's aton resin (in-plane retardation is 140 nm). Applied. Also, the surface of the film used as the second retardation plate 3 (the surface facing the liquid crystal cell C) is rubbed, On top of this, a UV-crosslinked chiral nematic liquid crystal manufactured by Merck with a refractive index anisotropy ⁇ of 0.102 and a helical pitch of 0.1 was applied to a layer thickness of 2.2 m, and the spiral axis was A fourth phase difference plate (C plate layer) 1 that was converted into a liquid crystal polymer and irradiated with ultraviolet rays in the film normal direction was formed integrally with the second phase difference plate 3.
  • C plate layer that was converted into a liquid crystal polymer and irradiated with ultraviolet rays in the film normal direction was formed integrally with the second phase difference plate 3.
  • the absolute value of the phase difference in the normal direction of the fourth retardation plate 1 obtained in this manner is 205 nm.
  • the second phase difference plate 3 having the fourth phase difference plate 1 thus obtained is passed through an adhesive layer such as glue so that the fourth phase difference plate 1 is positioned on the liquid crystal layer 7 side. I pasted it.
  • a polarizing plate SEG1224DU manufactured by Nitto Denko Corporation was attached as a second polarizing plate 5 directly above the second retardation plate 3 through an adhesive layer such as glue.
  • the third retardation plate 2 described above a uniaxial retardation plate made of NITTO DENKO's ARTON resin having an in-plane retardation force of S400 nm was applied.
  • the same quarter-wave plate as the second retardation plate 3 was applied as the first retardation plate 4.
  • SEG1224DU manufactured by Nitto Denko Corporation was applied as the first polarizing plate 6.
  • the first retardation plate 4, the third retardation plate 2, and the first polarizing plate 6 were attached from the substrate 14 in this order via an adhesive layer such as glue.
  • the angle between the transmission axis of each of the first polarizing plate 6 and the second polarizing plate 5 and the slow axis of the first retardation plate 4 and the second retardation plate 3 is ⁇ / 4 (rad).
  • the transmission axis of the first polarizing plate 6 and the slow axis of the third retardation plate 2 are parallel to each other, and the liquid crystal molecule alignment direction when a voltage is applied to the liquid crystal layer 7 is the same as that of each of the polarizing plates 5 and 6.
  • Protrusions 12 and slits 11 are arranged so as to be parallel or orthogonal to the transmission axis.
  • the absorption axis of the second polarizing plate 5 and the absorption axis of the first polarizing plate 6 are arranged so as to be orthogonal to each other.
  • the voltage applied to the liquid crystal layer 7 is 4.2 V (when white is displayed) and 1. OV (when black is displayed; the voltage is lower than the threshold voltage of the liquid crystal material,
  • the liquid crystal molecules were driven in such a way that the voltage was such that the vertical alignment was maintained, and the viewing angle characteristics of the contrast ratio were evaluated.
  • the pixel electrode 10 is not provided with the slits 11 and the protrusions 12 of the counter substrate 13 are not provided. Instead, the surface of the alignment film provided on each substrate is provided. Rubbing was performed in a uniform direction. Except for this, alignment was divided by the same material, structure, and manufacturing method as in Embodiment 1 to produce a liquid crystal display element having a vertical alignment mode.
  • FIGS. 7A and 7B The respective evaluation results are shown in FIGS. 7A and 7B.
  • Fig. 7A shows the evaluation results of the rubbing process in the direction parallel to the absorption axis of the second polarizing plate 5
  • Fig. 7B shows the rubbing process in an angle of 45 ° with respect to the absorption axis of the second polarizing plate 5. This is the evaluation result.
  • Both results show wide contrast viewing angle characteristics, but as is clear from the figure, the structure in Fig. 7A, which has been rubbed so that the liquid crystal molecule alignment orientation is parallel to the absorption axis and transmission axis of the polarizing plate, is better in contrast. It was confirmed that the viewing angle widened.
  • the first retardation plate 4, the second retardation plate 3, the third retardation plate 2, and the fourth retardation plate 1 are omitted from the configuration shown in FIG.
  • a linearly polarized light-driven MVA mode liquid crystal display device was fabricated using the same material and manufacturing method as in Embodiment 1 except that the angle was 45 °.
  • the transmittance was measured in the same manner as in Embodiment 1. As a result, it was 4.0%, which was lower than those in Embodiments 1 and 2 described above.
  • a liquid crystal display device having the structure shown in FIG. 9 was produced.
  • a liquid crystal display device was produced by the same material and manufacturing method as in Embodiment 1 except that the third retardation plate 2 and the fourth retardation plate 1 were not used as compared with Embodiment 1.
  • the viewing angle dependence of the contrast ratio was measured. The measurement results are as shown in FIG.
  • the contrast ratio is The visual field of 10: 1 or more is ⁇ 40 ° vertically and horizontally, which is narrower than the above-mentioned Embodiments 1 and 2.
  • a liquid crystal display device having the structure shown in FIG. 11 was produced.
  • the biaxial retardation plate used is a phase difference plate made of NITTO DENSO's ARTON resin, with an in-plane retardation of 140 nm and a normal phase difference (nx-nz multiplied by the layer thickness) Are each 105 nm.
  • the viewing angle dependence of the contrast ratio was measured in the same manner as in the first embodiment. The measurement results are as shown in FIG. As shown in the figure, the field of view with a contrast ratio of 10: 1 or more is as wide as ⁇ 80 ° in the oblique direction, but ⁇ 40 ° in the vertical and horizontal directions, which is narrower than those in the first and second embodiments.
  • the fourth retardation plate 1 in the first embodiment is made of the same material as that of the first embodiment, and the other is made of a material made of Arton resin, and these are used to make other configurations, materials, and manufacturing methods.
  • Two types of liquid crystal display elements were prepared in the same manner as in Embodiment 1 with respect to optical physical properties. The voltage applied to the liquid crystal layer was driven to 1.0 V, and the viewing angle dependence of chromaticity during black display was evaluated.
  • FIGS. 8A and 8B The respective evaluation results are shown in FIGS. 8A and 8B.
  • Fig. 8A shows the evaluation results of a liquid crystal display device using the fourth retardation plate 1 made of liquid crystal polymer
  • Fig. 8B shows the liquid crystal display device using the fourth retardation plate 1 made of Arton resin. This is the evaluation result.
  • all the results are plotted with all the chromaticity evaluation results in the field of view of the 80 ° cone. Although all the results are excellent color viewing angle characteristics, it was confirmed that the color viewing angle characteristics shown in FIG.
  • a circularly polarized display mode in which the polarized light incident on the liquid crystal layer is circularly polarized, in order to solve the problem that the viewing angle characteristic is narrow and the manufacturing cost of the member to be used is high in the circular polarization-led MVA mode, a novel liquid crystal display element structure is provided.
  • liquid crystal display element that can improve viewing angle characteristics and can reduce costs.

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Abstract

　円偏光主導型の垂直配向モードの液晶表示素子は、光源ＢＬ、第１偏光板６及び第１位相差板４を含む円偏光子構成体Ｐ、液晶セルＣを含む可変リターダー構成体ＶＲ、第２偏光板５及び第２位相差板３を含む円検光子構成体Ａの順に構成する。第１位相差板４及び第２位相差板３は、進相軸及び遅相軸を透過する所定波長の光の間に１／４波長の位相差を与える一軸の４分の１波長板である。第１偏光板６と第１位相差板４との間に、屈折率異方性がｎｘ＞ｎｙ＝ｎｚとなる光学的に１軸の第３位相差板２をその遅相軸が第１偏光板６の透過軸と略平行となるよう配置し、さらに、液晶セルＣと第１位相差板４若しくは第２位相差板３との間に、屈折率異方性がｎｘ＝ｎｙ＞ｎｚとなる光学的に負の１軸の第４位相差板１を配置したことを特徴とする。

Description

明 細 書
：液晶表示素子
技術分野
[0001] この発明は、液晶表示素子に係り、特に円偏光主導型の垂直配向モードの液晶表 示素子に関する。
背景技術
[0002] 液晶表示装置は、薄型、軽量、低消費電力である等の様々な特徴を有しており、 O A機器、情報端末、時計、及びテレビ等の様々な用途に応用されている。特に、薄膜 トランジスタ (以下、 TFTという）を有する液晶表示装置は、その高い応答性から、携 帯テレビやコンピュータなどのように多量の情報を表示するモニタとして用いられて ヽ る。
[0003] 近年、情報量の増加に伴い、画像の高精細化や表示速度の高速化に対する要求 が高まっている。これら要求のうち画像の高精細化は、例えば、上述した TFTが形成 するアレイ構造を微細化することによって実現されて ヽる。
[0004] 一方、表示速度の高速ィ匕に関しては、従来の表示モードに代わって、例えばネマ ティック液晶を用いた OCB(Optically Compensated Birefringence)モード、 VAN (Vertically Aligned Nematic)モード、 HAN(Hybrid Aligned Nematic)モード、および π配列モード、並びにスメクチック液晶を用いた界面安定型強誘電性液晶 (SSFLC: Surface-Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal)モードおよび反強誘電'性液晶 (AFLC: Anti-Ferroelectric Liquid Crystal)モードが検討されている。
[0005] これら表示モードのうち、特に VANモードは、従来の TN(Twisted Nematic)モード よりも速い応答速度を得ることができ、さらに静電気破壊のような不良発生の原因とな るラビング処理を垂直配向により不要にできるという特長を有している。なかでも、配 向分割型 VANモード (以下、 MVAモードという）は、視野角の拡大が比較的容易な ことから特に注目されている。
[0006] MVAモードでは、マスクラビング、画素電極構造の工夫、画素内に突起を設ける などして、これらによって画素電極及び対向電極から画素領域に印加される電界の 傾きを制御することが行われている。液晶層の画素領域は、液晶分子の配向方向が 電圧印加状態で互いに 90° の角度をなすような例えば 4つのドメインに配向分割さ れ、これにより、視角特性の対称性改善と反転現象の抑止を実現している。
[0007] なおかつ、液晶分子が基板主面にほぼ垂直に配列した状態、すなわち黒表示状 態での液晶層の位相差の視角依存性を負の位相差板を用いて補償し、これにより、 視角に対するコントラスト（CR)を良好なものとしている。さらに、この負の位相差板が 偏光板の視角依存性も補償するような面内位相差をもつ 2軸位相差板であれば、さ らに優れた視角 コントラスト特性を実現することができる。
[0008] しかしながら、従来の MVAモードでは、各画素内を配向分割しているため、配向 分割境界及び配向分割構造である画素内突起や画素電極スリットの近傍にシュリー レン配向や意図しな 、方位への配向など、望ま 、液晶配列方位とは異なる方位に 配列した領域が形成される。
[0009] 直線偏光板を用い、直線偏光主導の複屈折制御をした液晶表示素子のクロスニコ ル下における液晶層の透過率 Tip (LC)は次式で表わされる。
[数 1]
Tlp(LC) = JQ - sin2(26>) - sin2(^^ ，、 π、 … ( 1 )
A,
[0010] この数式（1)において、 Iは偏光板の透過軸に平行な直線偏光の透過率であり、
0
Θは液晶層の遅相軸と偏光板の光軸とのなす角度であり、 Vは印加電圧であり、 dは 液晶層の厚みであり、 λは液晶表示素子への入射光の波長である。
[0011] 数式（1)において、屈折率異方性 Δ η ( λ , V)は、その領域における実効的な印加 電圧及びネマティック液晶分子の各々の傾き角に依存する。 T (LC)を 0乃至 Iに変
0 化させるためには、 Δ η ( λ , V) dZ λを 0乃至 λ Ζ2のレンジで変化させ、なおかつ 、 Θの値を π /4 (rad)とする必要がある。このため、液晶分子が π Ζ4以外の方位 に配列した領域では、透過率が低下することになる。前述したように、 MVAモードは 、配向分割をしているために、必然的にこうした領域を伴っている。したがって、 MV Αモードは、 TNモードなどと比較して透過率が低!、と!/、つた問題を有して!/、る。
[0012] こうした問題を解決するために、円偏光主導型の MVAモードが検討されている。 直線偏光板の代わりに位相差板すなわち進相軸及び遅相軸を透過する所定波長の 光の間に 1Z4波長の位相差を与える一軸の 4分の 1波長板を備えた偏光板、つまり 円偏光板を用いることによって前述した問題を解決している。円偏光板を用い、円偏 光主導型の複屈折制御をした液晶表示素子のクロス-コル下における液晶層の透 過率 Tcp (LC)は次式で表わされる。
[数 2]
Figure imgf000005_0001
[0013] この数式（2)力 わ力るように、透過率 Tcp (LC)は、液晶分子の配列方位に依存 しない。したがって、配向分割境界及び配向分割構造の近傍にシュリーレン配向や 意図しな 、方位への配向など、望ま 、液晶配列方位とは異なる方位に配列した領 域を伴って 、ても液晶分子の傾きさえ制御できれば、所望の透過率を得ることができ るわけである。
[0014] し力しながら、従来の円偏光主導型の MVAモードは、視野角特性が狭いといった 問題を抱えている。
[0015] 図 9は、従来の円偏光主導型 MVAモードの液晶表示素子の断面構造の一例を示 したものである。図 9に示すように、第 1基板 13は、その内面に設けられた ITO (イン ジクム 'ティン'オキサイド)力 なる共通電極 9を備えており、この共通電極 9上に画 素内を配向分割するための突起 12を備えている。これと対向する第 2基板 14は、そ の内面に設けられた ITO力もなる画素電極 10を備えており、画素内を配向分割する ためのスリット 11 (画素電極がない領域）を備えている。共通電極 9と画素電極 10との 間には、誘電異方性が負のネマティック液晶 7が狭持されており、液晶分子 8が電圧 を印加しない状態にて基板主面に対してほぼ垂直に配列するよう配向処理がなされ ている。
[0016] こうした構造カゝらなる液晶セルは、その両外面にそれぞれ設けられた、位相差板 3, 4、及び、偏光板 5, 6を備えている。位相差板 3、 4は、図 4に示すような屈折率異方 性を有する 1軸の 4分の 1波長板であり、その遅相軸が偏光板 5, 6の透過軸と π Ζ4 (rad)の角度をなすように設けられて 、る。 [0017] このような構造では、一対の位相差板 3, 4は、それぞれの遅相軸が互いに直交す る構造となるので、負の位相差板として作用する。例えば 550nmの波長の光に対し ては 280nm程度の負の位相差を与える。これに対し、液晶層 7は、電界制御により 2分の 1波長の位相差変化を得るには、材料の屈折率異方性 Δ nと液晶層厚 dとを乗 じた値 A n'dを 300nm以上とする必要がある。このため、液晶表示素子としてのトー タルの位相差はゼロとはならず、黒表示時の視野角特性が劣化する。また、 1軸の 4 分の 1波長板を用いて 、るので、偏光板の視野角特性に起因して液晶層に入射する 円偏光の偏光特性にも視野角依存性が生じている。
[0018] このようにして、従来の円偏光主導型 MVAモードは、液晶層に入射する入射光を 略円偏光として前述した透過率が低い問題を解決して ヽるが、液晶層に入射する円 偏光の視角依存性や液晶層の位相差の視角依存性を補償する手段を設けていな V、ため、コントラスト視角が狭 、と 、つた問題が生じる。
[0019] 図 10は、図 9に示した構造を有する液晶表示素子の等コントラスト曲線の測定結果 の一例である。ここで、 0度 (deg.)及び 180度 (deg.)の方位が画面の左右方向に相 当し、 90度 (deg.)及び 270度 (deg.)の方位が画面の上下方向に相当する。図 10に 示すように、コントラスト比が 10 : 1以上の視野は、上下左右とも ±40° 程度と狭ぐ 実用に耐え得る特性は得られて ヽなかった。
[0020] こうした問題に対し、 1軸の 4分の 1波長板の代わりに図 12に示すような屈折率異方 性を有する 2軸の 4分の 1波長板を用いて液晶層に入射する円偏光の視角依存性を 補償し、視野角特性を改善する提案がなされている。
[0021] 図 11は、図 12に示した 2軸の 4分の 1波長板 15を用いた円偏光主導型 MVAモー ド液晶表示素子の断面構造の一例を示したものである。この構造では、用いた 4分の 1波長板の屈折率楕円体が図 12に示すように nx>ny>nzとなっているため、面内 の位相差は 4分の 1波長であり、上下で面内遅相軸が互!ヽに直交するように配置す れば負の位相差板として機能するので、その位相差値を制御すれば液晶層の法線 方向の位相差を補償し、視野角特性が改善される。
[0022] 図 13は、図 11に示した円偏光主導型 MVAモード液晶表示素子の等コントラスト 曲線の実測結果である。図 10に示した結果と比較して、若干視野が拡大され、特性 の改善がなされていることがわかる。し力しながら、斜め方位については、コントラスト 比 10 : 1以上の視野は ±80° 程度と広いが上下左右方位は ±40° 程度と実用に 耐え得る視野角特性となっていない。これは、液晶層の法線方向の位相差が前述し た 2軸の 4分の 1波長板である程度改善されるものの、実際、用いることができるフィル ムとしては高分子フィルムであり、液晶層の位相差の波長分散に合致させることが困 難であることに起因している。また、円偏光板として見れば、十分な視角特性を得る 構造とはなっていないことも前述したコントラスト比の視野角特性の一因となっている
[0023] これに対し、図 12に示した 2軸の 4分の 1波長板の代わりに図 15に示すような屈折 率異方性を有する 2軸の 4分の 1波長板を用いた円偏光主導型 MVAモード液晶表 示素子も提案されている。
[0024] 図 14は、図 15に示した 2軸の 4分の 1波長板 16を用いた円偏光主導型 MVAモー ド液晶表示素子の断面構造の一例を示したものである。この構造では、用いた 4分の 1波長板の屈折率異方性が図 15に示すように xn>nyく nzとなっている。図 9及び図 11に示した構造と同様に、 MVAモードの液晶セルの外面に 4分の 1波長板 16及び 偏光板 5, 6を配置した構造となっている。
[0025] 図 14に示した構造では、用いた 4分の 1波長板の屈折率が nyく nzとなっているた め、仮に nx>nzであってもこれを液晶セルの上下で遅相軸が直交となるよう配置し ても、 1軸の 4分の 1波長板を上下で直交配置した図 9の構造と比較して負の位相差 としての作用が弱まるし、 nxく nzの場合は正の位相差を生ずる。したがって、液晶層 の屈折率異方性 Δ ηが極めて小さい場合、つまりは液晶層の位相差変化量が 2分の 1波長を下回り、液晶セルの透過率が不十分となるような条件としない限り、図 9の構 造よりもコントラスト視角特性が狭くなつてしまう。
[0026] 図 16は、図 14に示した円偏光主導型 MVAモード液晶表示素子の等コントラスト 曲線の実測結果である。図 16に示すように、コントラスト比が 1 : 1以下の領域が生じ ており、図 10及び図 13より狭い視野角特性となっていることがわかる。こうした特性と なっているのは、図 11に示した構造と同様に、円偏光板として見れば、十分な視野 角特性を得る構造とはなって ヽな 、ことも一因して 、る。 [0027] また、図 11に示した構造及び図 14に示した構造は、ともに 2軸の 4分の 1波長板を 用いている。こうした 2軸の位相差板は、高分子フィルムを 2軸延伸して得ているため 、製造コストが高くなる問題を抱えている。また、屈折率の制御も限られた範囲でしか なしえないので、所望の屈折率楕円体を実現することが困難となっている。さらには、 2軸性を得るために、材料の選択範囲が狭ぐ液晶の屈折率の波長分散特性に合致 させることが困難であるといった問題も抱えている。（例えば、 T.Ishinabe etal.A Wide viewing Angle Polarizer and a Quarter-wave plate with a Wide Wavelength Range for Extremely High Quality LCDs.IDW' Ol Proceedings,p485(2001)、及び、
Y.Iwamoto etal, Improvement of Display Performance of High fransmittance
Photo-Alined Multi-domain Vertical Alignment LCDs Usingし lrcular Polarizers, ID W ，02 Proceedings, p85(2002)参照。 )
発明の開示
[0028] この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、視野角特 性を改善することができ、し力も、コストの低減が可能な液晶表示素子を提供すること にある。
[0029] この発明の第 1の様態による液晶表示素子は、
2枚の電極付基板間に液晶層を挟持したドットマトリクス型の液晶セルを、光源側に 位置する第 1偏光板及び観察側に位置する第 2偏光板間に配置し、前記第 1偏光板 と前記液晶セルとの間に第 1位相差板を配置し、前記第 2偏光板と前記液晶セルと の間に第 2位相差板を配置した表示素子であり、各画素の液晶分子配列が画素に 電圧を印加していない状態において基板主面に対してほぼ垂直に配向した円偏光 主導型の垂直配向モードの液晶表示素子であって、
前記第 1偏光板及び前記第 1位相差板を含む円偏光子構成体と、
前記液晶セルを含む可変リターダー構成体と、
前記第 2偏光板及び前記第 2位相差板を含む円検光子構成体とを、
前記光源、前記円偏光子構成体、前記可変リターダー構成体、前記円検光子構成 体の順に構成させた液晶表示素子であり、
前記第 1位相差板及び前記第 2位相差板は、進相軸及び遅相軸を透過する所定 波長の光の間に 1Z4波長の位相差を与える一軸の 4分の 1波長板であり、 前記円偏光子構成体は、円偏光子を出射した出射光の偏光状態が出射方位によ らず略円偏光となるように偏光子の視角特性を補償する第 1補償手段を備え、 さらに、前記可変リターダー構成体は、前記液晶セルの位相差の視角特性を補償 する第 2補償手段を備えたことを特徴とする。
[0030] この発明の第 2の様態による液晶表示素子は、
2枚の電極付基板間に液晶層を挟持したドットマトリクス型の液晶セルを、光源側に 位置する第 1偏光板及び観察側に位置する第 2偏光板間に配置し、前記第 1偏光板 と前記液晶セルとの間に第 1位相差板を配置し、前記第 2偏光板と前記液晶セルと の間に第 2位相差板を配置した表示素子であり、各画素の液晶分子配列が画素に 電圧を印加していない状態において基板主面に対してほぼ垂直に配向した円偏光 主導型の垂直配向モードの液晶表示素子であって、
前記第 1偏光板及び前記第 1位相差板を含む円偏光子構成体と、
前記液晶セルを含む可変リターダー構成体と、
前記第 2偏光板及び前記第 2位相差板を含む円検光子構成体とを、
前記光源、前記円偏光子構成体、前記可変リターダー構成体、前記円検光子構成 体の順に構成させた液晶表示素子であり、
前記第 1位相差板及び前記第 2位相差板は、進相軸及び遅相軸を透過する所定 波長の光の間に 1Z4波長の位相差を与える一軸の 4分の 1波長板であり、
前記第 1偏光板と前記第 1位相差板との間に、屈折率異方性が nx>ny=nzとなる 光学的に 1軸の第 3位相差板をその遅相軸が前記第 1偏光板の透過軸と略平行とな るよう酉己置し、
さらに、前記液晶セルと前記第 1位相差板若しくは前記第 2位相差板との間に、屈 折率異方性が nx =ny> nzとなる光学的に負の 1軸の第 4位相差板を配置したことを 特徴とする。
[0031] 特に、液晶層を構成する液晶分子の配列方位が意図する方位以外の方位に配列 する領域が必然的に多くなる、すなわち、電圧を印加した状態にて画素内の液晶分 子配列方位が一様でな 、ように液晶分子配列が制御された配向分割型の垂直配向 モード (MVAモードと称する）であることを特徴とする。
図面の簡単な説明
[図 1]図 1は、この発明の一実施の形態に係る液晶表示素子の断面構造の一例を概 略的に示す図である。
[図 2]図 2は、図 1に示した液晶表示素子に適用可能な第 4位相差板の屈折率楕円 体の形状を説明するための図である。
[図 3]図 3は、図 1に示した液晶表示素子に適用可能な第 3位相差板の屈折率楕円 体の形状を説明するための図である。
[図 4]図 4は、図 1に示した液晶表示素子に適用可能な第 1位相差板及び第 2位相差 板の屈折率楕円体の形状を説明するための図である。
[図 5]図 5は、図 1に示した液晶表示素子のコントラスト視角特性の補償原理を説明す るための図である。
[図 6]図 6は、実施形態 1に係る液晶表示素子の等コントラスト曲線の一例を示す図で ある。
[図 7A]図 7Aは、実施形態 2に係る液晶表示素子であって、偏光板の吸収軸と平行と なる方位にラビング処理して構成したものの等コントラスト曲線の一例を示す図である
[図 7B]図 7Bは、実施形態 2に係る液晶表示素子であって、偏光板の吸収軸に対して 45° の角度の方位にラビング処理して構成したものの等コントラスト曲線の一例を示 す図である。
[図 8A]図 8Aは、実施形態 3に係る液晶表示素子であって、第 4位相差板として液晶 ポリマーを適用したものの黒表示時の色度の視角特性の一例を説明するための xy 色度座標である。
[図 8B]図 8Bは、実施形態 3に係る液晶表示素子であって、第 4位相差板としてアート ン榭脂を適用したものの黒表示時の色度の視角特性の一例を説明するための xy色 度座標である。
[図 9]図 9は、従来の液晶表示素子の断面構造の一例を説明するための図である。
[図 10]図 10は、図 9に示した液晶表示素子の等コントラスト曲線の一例を示す図であ る。
[図 11]図 11は、従来の液晶表示素子の断面構造の一例を説明するための図である
[図 12]図 12は、図 11に示した液晶表示素子に用いる 2軸の 4分の 1波長板の屈折率 楕円体の形状を説明するための図である。
[図 13]図 13は、図 11に示した液晶表示素子の等コントラスト曲線の一例を示す図で ある。
[図 14]図 14は、従来の液晶表示素子の断面構造の一例を説明するための図である
[図 15]図 15は、図 14に示した液晶表示素子に用いる 2軸の 4分の 1波長板の屈折率 楕円体の形状を説明するための図である。
[図 16]図 16は、図 14に示した液晶表示素子の等コントラスト曲線の一例を示す図で ある。
発明を実施するための最良の形態
[0033] 以下、この発明の一実施の形態に係る液晶表示素子について図面を参照して説 明する。ここで説明する液晶表示素子は、液晶層における基板法線方向の屈折率が 基板面内での所定方向の屈折率より大きい状態を採り得る複屈折モードの一つであ る MVAモードの液晶セルを含んで!/、るが、他の複屈折モードの液晶セルを含んだ 構成にも本発明を適用可能である。
[0034] 図 1は、一実施の形態に係る液晶表示素子の構成を概略的に示す図である。図 1 に示すように、液晶表示素子は、各画素の液晶分子配列が画素に電圧を印加してい ない状態において基板主面に対してほぼ垂直に配向した円偏光主導型の垂直配向 モードの液晶表示素子であって、円偏光子構成体 Pと、可変リターダー構成体 VRと 、円検光子構成体 Aと、を備えている。
[0035] 可変リターダー構成体 VRは、一対の基板すなわち 2枚の電極付基板の間に液晶 層を挟持したドットマトリクス型の液晶セル Cを備えている。すなわち、この液晶セル C は、 MVAモードの液晶セルであって、アクティブマトリクス基板 14と対向基板 13との 間に液晶層 7を挟持した構造を有している。また、これらアクティブマトリクス基板 14と 対向基板 13との間隔は、図示しないスぺーサによって一定に維持されている。
[0036] アクティブマトリクス基板 14は、ガラス基板などの光透過性を有する絶縁基板を備 えて構成され、その一方の主面上に、走査線や信号線などの各種配線、走査線と信 号線との交差部付近に設けられたスイッチング素子などを備えているが、発明の作用 効果に関与しないので省略する。また、アクティブマトリクス基板 14は、これらの上に 画素電極 10を備えている。画素電極 10の表面は、配向膜によって覆われている。
[0037] 走査線及び信号線などの各種配線は、アルミニウム、モリブデン、銅などによって 形成されている。また、スイッチング素子は、例えば、アモルファスシリコンやポリシリコ ンを半導体層とし、アルミニウム、モリブデン、クロム、銅、タンタルなどをメタル層とし た薄膜トランジスタ (TFT)である。このスイッチング素子は、走査線、信号線、並びに 画素電極 10と接続されている。アクティブマトリクス基板 14では、このような構成によ り、所望の画素電極 10に対して選択的に電圧を印加することを可能としている。
[0038] 画素電極 10は、 ITO (インジウム ·ティン 'オキサイド）のような光透過性を有する導 電材料によって形成され得る。この画素電極 10は、例えばスパッタリング法などにより 薄膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いてその薄膜をパ ターニングすることにより形成される。
[0039] 配向膜は、ポリイミドなどの光透過性を有する榭脂材料力 なる薄膜によって構成さ れている。なお、この実施形態では、配向膜には、ラビング処理は施さずに液晶分子
8に垂直配向性を付与している。
[0040] 対向基板 13は、ガラス基板などの光透過性を有する絶縁基板を備えて構成され、 その一方の主面上に、共通電極 9を備えている。この共通電極 9の表面は、配向膜 によって覆われている。
[0041] 共通電極 9は、画素電極 10と同様に、光透過性を有する導電材料、例えば ITOに よって形成され得る。また、配向膜は、アクティブマトリクス基板 14側の配向膜と同様 に、光透過性を有する榭脂材料、例えばポリイミドによって形成され得る。なお、この 実施形態では、共通電極 9は、すべての画素電極と切れ目なく対向するよう平坦な 連続膜として形成されて 、る。
[0042] カラー液晶表示素子として構成する場合、液晶セル Cは、カラーフィルタ層を備え ている。カラーフィルタ層は、 3原色例えば青、緑、赤にそれぞれ着色された着色層 で構成されている。このカラーフィルタ層は、アクティブマトリクス基板 14側の絶縁基 板と画素電極 10との間に設けて COA (color filter on array)構造を採用しても 良いし、対向基板 13に設けてもよい。
[0043] COA構造を採用した場合、カラーフィルタ層にはコンタクトホールが設けられており 、画素電極 10は、このコンタクトホールを介してスイッチング素子と接続されている。こ のような COA構造は、アクティブマトリクス基板 14と対向基板 13とを貼り合わせて液 晶セル Cを構成する際に、ァライメントマークなどを利用した高精度な位置合わせが 不要となる利点を有して 、る。
[0044] 液晶層 7は、誘電異方性が負のネマティック液晶材料として、メルク (株)社製の F系 液晶を用いた。ここで用いた液晶材料の屈折率異方性 Δ ηは、 0. 102 (測定波長は 550nm。以下位相差板の屈折率や位相差は全て波長 550nmでの測定値を記す） であり、液晶層 7の厚み dは 3. 7 mである。したがって、液晶層 7の A n'dは、 377η mである。
[0045] 円偏光子構成体 Pは、光源すなわちノ ックライトユニット BLと可変リターダー構成体 VRとの間に配置されている。この円偏光子構成体 Pは、液晶セル Cのバックライトュ ニット BL側に位置する第 1偏光板 6、第 1偏光板 6と液晶セル Cとの間に配置された 第 1位相差板 4を含んで 、る。
[0046] 円検光子構成体 Aは、可変リターダー構成体 VRに対してバックライトユニット BLと は対向する観察面側に配置されている。この円検光子構成体 Aは、液晶セル Cの観 察面側に位置する第 2偏光板 5、第 2偏光板 5と液晶セル Cとの間に配置された第 2 位相差板 3を含んでいる。
[0047] 第 1偏光板 6及び第 2偏光板 5は、その面内において、互いにほぼ直交する透過軸 及び吸収軸を有している。また、第 1位相差板 4及び第 2位相差板 3は、その面内に おいて、互いにほぼ直交する進相軸及び遅相軸を有しており、進相軸及び遅相軸を それぞれ透過する所定波長（例えば 550nm)の光の間に 1Z4波長の位相差を与え る一軸の 4分の 1波長板である。このような第 1位相差板 4及び第 2位相差板 3は、そ れぞれの遅相軸が互 ヽに直交するように配置されて 、る。 [0048] 液晶表示素子は、バックライトユニット BL、円偏光子構成体 P、可変リターダー構成 体 VR、円検光子構成体 Aの順に積層して構成されている。このように構成された液 晶表示素子では、円偏光子構成体 Pは円偏光子構成体を出射した出射光の偏光状 態が出射方位によらず略円偏光となるように偏光子の視角特性 (第 1偏光板に起因 する視覚特性)を補償する第 1補償手段 2を備え、さらに、可変リターダー構成体 VR は液晶セル Cの位相差の視角特性を補償する第 2補償手段 1を備えている。
[0049] すなわち、円偏光子構成体 Pは、第 1偏光板 6と第 1位相差板 4との間に配置された 、屈折率異方性が nx>ny=nzとなる光学的に 1軸の第 3位相差板 (Aプレート） 2を 備えている。この第 3位相差板 2は、その遅相軸が第 1偏光板 6の透過軸と略平行と なるように配置されている。
[0050] また、可変リターダー構成体 VRは、液晶セル Cと第 1位相差板 4若しくは第 2位相 差板 3との間に配置された、屈折率異方性が nx=ny>nzとなる光学的に負の 1軸の 第 4位相差板 (Cプレート） 1を備えている。図 1に示した実施の形態では、第 4位相差 板 1は、液晶セル Cと第 2位相差板 3との間に配置されて ヽる。
[0051] 第 4位相差板 1としては、図 2に示すような構造の屈折率楕円体 (nx=nyく nz)を 有するものが適用可能である。第 3位相差板 2としては、図 3に示すような構造の屈折 率楕円体 (nx>ny=nz)を有するものが適用可能である。第 1位相差板 4及び第 2位 相差板 3としては、図 4に示すような構造の屈折率楕円体 (nx>ny=nz)を有する A プレートの 1種に相当するものが適用可能である。なお、図 2乃至図 4において、 nx 及び nyはそれぞれの位相差板の面内方向での屈折率を示し、 nzはそれぞれの面に 対する法線方向の屈折率を示すものとする。
[0052] 図 5は、図 1に示した液晶表示素子の視野角特性の光学原理を説明するための各 光路における偏光状態を概念的に示す図である。
[0053] すなわち、液晶表示素子では、光学的に負の 1軸媒体である第 4位相差板 (Cプレ ート） 1を用い、その他に別途に設けた第 1位相差板 4及び第 2位相差板 3とともに負 の位相差板として作用させ、 A n'dが 280nm以上となる液晶層 7の法線方向に沿つ た位相差の視野角依存性を補償して 、る。このような補償機能を有した第 4位相差 板 1を第 1位相差板 4と第 2位相差板 3との間、つまり液晶層 7と第 1位相差板 4との間 または第 2位相差板 3との間に設けている。このため、第 1位相差板 4及び第 2位相差 板 3に入射する光が直線偏光である限り、第 1位相差板 4及び第 2位相差板 3を出射 した光は出射角度や出射方位によらず略円偏光となる。
[0054] したがって、第 4位相差板 1が液晶層 7と第 2位相差板 3との間に位置する場合、液 晶層 7に入射する光は入射角度や方位に依らず円偏光となる。液晶層 7の法線方位 の位相差により、円偏光が楕円偏光になったとしても第 4位相差板 1の作用により円 偏光に戻されるので、第 4位相差板 1の上に位置する第 2位相差板 3に入射する光は 、入射角度や入射方位に依らず円偏光となる。したがって、観察する方向に関わらず 良好な表示特性を得ることができる。
[0055] また、第 4位相差板 1が液晶層 7と第 1位相差板 4との間に位置する場合、第 4位相 差板 1に入射する光は入射角度や入射方位に依らず円偏光となる。第 4位相差板 1 の法線方位の位相差により、円偏光が楕円偏光になったとしても液晶層 7の作用によ り円偏光に戻されるので、液晶層 7の上に位置する第 2位相差板 3に入射する光は、 入射角度や入射方位に依らず円偏光となる。したがって、第 4位相差板 1を液晶層 7 と第 2位相差板 3との間に配置した場合と同様に、観察する方向に関わらず良好な表 示特性を得ることができる。
[0056] これに対し、前述した図 11の構造からなる円偏光主導型 MVAモード液晶表示素 子では、屈折率異方性が nx>ny>nzである 2軸の 4分の 1波長板 15を配置し、これ ら一対の 4分の 1波長板 15の遅相軸を互いに直交させた構造となっている。これらの 4分の 1波長板 15は、上述した実施の形態に採用した第 4位相差板 1、及び、第 1位 相差板 4及び第 2位相差板 3の機能を同時に実現する機能を有して ヽるが、液晶層 7 の法線方向の位相差をも補償する条件とした場合、 2軸の 4分の 1波長板を出射した 光は必然的に楕円偏光となる。したがって、 2軸の 4分の 1波長板を出射した光は、 楕円長軸方向に方位を持った偏光となっている。結果的に、液晶分子配列方位に依 存した透過率特性となるため、図 13に示したように、方位によっては、十分な視野角 補償効果が得られない。
[0057] これに対して、この実施の形態の液晶表示素子構造では、液晶層 7及びこれの法 線方向の位相差を補償する第 4位相差板 1に入射する偏光を方位的な極性のな!ヽ 円偏光としているので、前述した問題は発生せず、方位に依存しない補償効果が得 られる。
[0058] こうした効果を十分に得るには、入射光側に位置する第 1波長板 4及び第 1偏光板 6との間に、第 1偏光板 6の視角特性を補償するような第 1補償手段、すなわち、屈折 率楕円体が図 3に示されるように nx>ny=nzである 1軸の第 3位相差板（つまり Aプ レート） 2を遅相軸が第 1偏光板 6の透過軸と略平行となるように配置すれば尚良い視 角特性を得ることができる。
[0059] この第 3位相差板 2を設けな ヽ構造は、素子全体の光学構造として、トータルの位 相差としては図 11に示した構造と同等であるが、各々の光学部材の配置順や光学 部材の使用数が異なった構造となっている。し力しながら、前述したように、液晶層 7 及びこれの法線方向の位相差を補償する第 4位相差板 1に入射する光を極性のな!ヽ 円偏光とすることによって初めて液晶分子配列方位に依存しない光学補償がなされ るものである。つまり、この実施の形態で説明した第 4位相差板 1、第 3位相差板 2、 第 1位相差板 4及び第 2位相差板 3を採用しても、図 1を参照して説明したような構造 としない限り、同様の効果を得ることはできない。
[0060] 例えば、前述した第 4位相差板 1を第 1位相差板 4と第 1偏光板 6との間に配置した 場合、第 1位相差板 4に入射する偏光が入射方向によっては楕円偏光となるため、 第 1位相差板 4を通過しても円偏光とはならず、前述した効果を得られない。また、第 3位相差板 2を第 2偏光板 5と第 2位相差板 3との間に配置しても、第 1偏光板 6の視 角特性は補償されないので、前記第 1位相差板 4を出射した光が楕円偏光となり、前 述した効果を得られな 、こととなる。
[0061] また、上述した実施の形態に係る液晶表示素子は、液晶セル Cにお 、て、電圧を 印カロした状態にて画素内の液晶分子配列が少なくとも 2方位を向くように制御された 配向分割型の垂直配向モードであって、各画素における開口領域のうち、少なくとも 半分の領域にぉ 、て、電圧を印加した状態における画素内の液晶分子の配列方位 が第 2偏光板 5の吸収軸若しくは透過軸と略平行となるように制御されることが望まし い。
[0062] このような配向制御は、図 1に示したように、画素内に配向分割制御用の突起 12を 備えることで実現可能であるし、また、画素電極 10の一部に配向分割制御用のスリツ ト 11を設けることでも実現可能であり、さらには、アクティブマトリクス基板 14及び対向 基板 13における液晶層 7を挟持する面に配向分割制御用のラビング等の配向処理 を施した配向膜を設けることでも実現可能である。さらには、これらの突起 12、スリット 11、及び、配向処理を施した配向膜の少なくとも 2つを組み合わせても良いことは言 うまでもない。
[0063] 前述したように、直線偏光主導型 MVAモード液晶表示素子では、液晶分子配列 方位が偏光板の透過軸に対して π /4 (rad)の角度をなすとき (Tip (LC)の数式（1) 中の Θの値が π /4 (rad)となるとき）、最大の透過率を得ることができる。したがって 、直線偏光主導型 MVAモードの場合、電圧を印加した状態における画素内の液晶 分子配列方位が偏光板の透過軸に対して π /4 (rad)の角度をなすように画素内に 配向分割構造 (突起やスリット)を設けたり、配向膜にラビング等の配向処理を施した りしている。
[0064] これに対して、円偏光主導型 MVAモードの液晶表示素子の場合、透過率は電圧 を印加した状態における画素内の液晶分子配列方位に依存しない。したがって、液 晶層 7及び第 4位相差板 1にて 2分の 1波長の位相差を得られれば、液晶分子配列 方位に依らず、優れた透過率特性を得ることができる。
[0065] 配向分割方垂直配向モードでは、前述した 2分の 1波長の位相差を光の入射角度 に依存せず得られるように配向分割をなしている。しカゝしながら、入射角度や液晶分 子の傾き角によっては、配向分割効果による位相差の方位性の補償がなされな！/、場 合が生じる。こうした問題を最小限に抑えるためには、前述したように、液晶分子配列 方位を偏光板の透過軸若しくは吸収軸と平行な方位にすると良い。これは、液晶層 7 及び第 4位相差板 1を出射した光が円偏光にならず楕円偏光となったときにその楕 円偏光の長軸の方位が検光子である第 2偏光板 5の光軸 (透過軸及び吸収軸）と平 行となるためである。
[0066] また、上述した実施の形態に係る液晶表示素子では、第 4位相差板 1は、カイラル ネマティック、若しくは、コレステリック、若しくは、ディスコティック液晶ポリマーのいず れカからなる Cプレート層を有するフィルムによって構成してもよい。 [0067] 前述したように、この実施の形態では、液晶層 7の法線方向の位相差を補償する目 的で第 4位相差板 1を適用して 、る。補償する液晶層 7の位相差には波長分散があり 、この波長分散を含めて液晶層 7の位相差を補償するには、補償板である第 4位相 差板 1も同等の波長分散を持っていた方がより優れた補償効果が得られる。したがつ て、第 4位相差板 1は、前述したように液晶ポリマーにて形成した方が良い。
[0068] また、第 4位相差板 1を、その Cプレート層を第 2位相差板 3上 (液晶セル Cに対向 する面上）に形成すれば、第 4位相差板 1を形成する際のベースフィルムと第 2位相 差板 3とを一体ィ匕できるので、部材の削減及び全体の層厚が削減でき、薄型化に有 利である。
[0069] さらに、上述した実施の形態に係る液晶表示素子では、第 3位相差板 2がアートン 榭脂、ポリビュルアルコール榭脂、ゼォノア榭脂、トリァセチルセルロース榭脂など、 その面内でのリタ一デーシヨン値が入射光波長に殆ど依存しない樹脂のいずれかに よって形成されることが望まし 、。
[0070] 前述したように、ここで採用した第 3位相差板 2、具体的には第 1位相差板 4と第 1偏 光板 6との間に配置する第 3位相差板 2は、偏光板の視角特性を補償する機能を有 している。偏光板の視角特性は、殆ど波長に依存しない。したがって、前述した第 4 位相差板 1とは異なり、補償板である第 3位相差板 2の位相差の波長分散もより少な いことが望ましい。よって、第 3位相差板 2は、位相差の波長分散の少ない前述した 材料を用いて構成した方が、より効果的である。
[0071] このように、この実施の形態に係る液晶表示素子は、液晶層 7の視角補償機能と偏 光板の視角補償機能とを分離することにより、各々の波長分散を個別に制御すること が可能となるので、これを同時になす従来の構成と比較して、波長に対する補償効 果が優れたものとなる効果も得ることができる。
[0072] またさらに、上述した実施の形態に係る液晶表示素子では、第 4位相差板は、その 面内方向の屈折率を nxy(C)、法線方向の屈折率を nz (C)、厚みを d (C)とし、液晶 セル Cにおける液晶層 7の液晶材料の屈折率異方性を A n(LC)、液晶セル Cにおけ る液晶層 7の厚みを d (LC)、液晶表示素子への入射光の波長をえとしたとき、
Δ n (LC) X d (LC)≥ {nxy (C)— nz (C) } X d (C) ≥ An(LC) Xd(LC)-l/2
を満足することが望ましい。
[0073] 前述した第 4位相差板 1に依る液晶層 7の法線方向の位相差は、 An(LC) Xd(L C)で表される。第 1位相差板 4及び第 2位相差板 3 (ともに 4分の 1波長板)の法線方 向の位相差は、—λΖ2で表される。したがって、このような 4分の 1波長板の法線方 向の位相差を、 4分の 1波長板を 2軸化して解消した場合、液晶層 7の法線方向の位 相差を解消する第 4位相差板 1の位相差 {nxy(C)— nz(C) }Xd(C)は、 An(LC) X d(LC)となる。
[0074] 逆に、このような 4分の 1波長板の法線方向の位相差を解消しない場合、 An(LC)
Xd(LC)— λΖ2となる。解消しない場合、液晶層 7や第 4位相差板 1に入射する円 偏光は、若干楕円化するが、遅相軸は面内方位にあるので、この現象はほぼ無視し てよい。
[0075] したがって、偏光板の偏光度が∞と仮定すれば、第 4位相差板の位相差 {nxy(C) nz(C)}Xd(C)は、 An(LC) Xd(LC)— λ Z2とするのが望ましい。しかしながら、 偏光板の偏光度を波長に依らず∞とすることは事実上不可能であり、また、これを波 長に関わらず高めると透過率を低減させてしまう。したがって、実用的な透過率を得 る偏光度とする必要があり、この場合、偏光度が十分でない分、第 4位相差板 1の位 相差の絶対値を高める必要がある。
[0076] この場合の位相差値は、偏光状態が丁度逆の形となる 2分の 1波長を越えることは な 、ので、最適な位相差の絶対値は第 4位相差板 1の位相差の絶対値を偏光板の 偏光度が∞と仮定した場合の最適値である An(LC) Xd(LC)— λΖ2より大きぐ偏 光状態が丁度逆の形となる 2分の 1波長を越えな 、 Δ n (LC) X d (LC)とすることが 前述した補償効果を得る必要条件となる。
[0077] 以下に、この発明の具体的な実施形態について説明する。
《実施形態 1》
この実施形態 1では、第 1位相差板 4及び第 2位相差板 3として、日東電工社製のァ 一トン榭脂からなる 1軸の 4分の 1波長板 (面内位相差は 140nm)を適用した。また、 第 2位相差板 3として用いたフィルムの表面 (液晶セル Cとの対向面）をラビングして、 その上に屈折率異方性 Δ ηが 0. 102であり、ヘリカルピツチが 0. であるメルク 社製の紫外線架橋型のカイラルネマティック液晶を層厚 2. 2 mとなるよう塗布し、 螺旋軸がフィルム法線方向となる状態にて紫外線を照射し、液晶ポリマー化された第 4位相差板 (Cプレート層） 1を第 2位相差板 3と一体に形成した。
[0078] このようにして得られた第 4位相差板 1の法線方向における位相差の絶対値は、 20 5nmとなっている。こうして得られた第 4位相差板 1を有する第 2位相差板 3を、図 1に 示すように、第 4位相差板 1が液晶層 7側に位置するように糊などの接着層を介して 貼り付けた。また、第 2位相差板 3の直上には、第 2偏光板 5として日東電工社製の偏 光板 SEG1224DUを糊などの接着層を介して貼り付けた。
[0079] 一方、前述した第 3位相差板 2として、日東電工社製のアートン榭脂からなる、面内 位相差力 S400nmである 1軸の位相差板を適用した。第 2位相差板 3と同一の 4分の 1 波長板を第 1位相差板 4として適用した。さらに、第 1偏光板 6として、日東電工社製 の SEG1224DUを適用した。これら第 1位相差板 4、第 3位相差板 2、及び第 1偏光 板 6は、基板 14からこの順序で糊などの接着層を介して貼り付けた。
[0080] 第 1偏光板 6及び第 2偏光板 5の各々の透過軸と第 1位相差板 4及び第 2位相差板 3の遅相軸とのなす角度は π /4 (rad)としてあり、第 1偏光板 6の透過軸と第 3位相 差板 2の遅相軸とは平行としてあり、液晶層 7に電圧を印加した際の液晶分子配列方 位は各々の偏光板 5, 6の透過軸と平行若しくは直交するように突起 12やスリット 11 を配置してある。また、第 2偏光板 5の吸収軸と第 1偏光板 6の吸収軸は、互いに直交 するよう配置してある。
[0081] このように構成された液晶表示素子において、液晶層 7に印加する電圧を 4. 2V ( 白表示時)及び 1. OV (黒表示時；液晶材料のスレショルド電圧未満の電圧であり、 液晶分子は垂直配向のままの状態となる電圧である）となるようにして駆動させ、コン トラスト比の視角特性を評価した。
[0082] 結果を図 6に示す。ここでは、 30度 (deg.)及び 210度 (deg.)の方位が画面の左右 方向に相当し、 120度 (deg.)及び 300度 (deg.)の方位が画面の上下方向に相当す る。ほぼ全方位でコントラスト比 10 : 1以上の視野が ±80° 以上となり、優れた視野 角特性を得られることが確認できた。また、 4. 2Vにおける透過率を測定したところ、 5. 0%と極めて高 ヽ透過率を得て!ヽることが確認できた。
[0083] 《実施形態 2》
図 1に示した構成の液晶表示素子において、画素電極 10にスリット 11を設けず、ま た対向基板 13の突起 12も設けず、これらの代わりに、各々の基板に設けた配向膜 の表面を一様な方向にラビング処理した。これ以外は、実施形態 1と同様の材料、構 造、製造方法にて配向分割して 、な 、垂直配向モードからなる液晶表示素子を作成 した。
[0084] ラビング方向としては、第 2偏光板 5の吸収軸と平行となる方位にラビング処理した ものと、 45° の角度となるようラビング処理したものと、の 2種の液晶表示素子を作成 した。こうして得られた 2種の液晶表示素子の液晶層 7に印加する電圧を 4. 2V及び 1. OVとなるようにして駆動させ、コントラスト比の視角特性を評価した。
[0085] それぞれの評価結果を図 7A及び図 7Bに示す。図 7Aは第 2偏光板 5の吸収軸と 平行となる方位にラビング処理したものの評価結果であり、図 7Bは第 2偏光板 5の吸 収軸に対して 45° の角度の方位にラビング処理したものの評価結果である。いずれ の結果も広いコントラスト視角特性となっているが、図から明らかなように、液晶分子 配列方位が偏光板の吸収軸や透過軸と平行となるようラビング処理した図 7Aの構造 の方がコントラスト視角が広くなることを確認できた。
[0086] 《比較例 1》
図 1に示した構成から第 1位相差板 4、第 2位相差板 3、第 3位相差板 2、及び、第 4 位相差板 1を省き、液晶分子配列方位が偏光板の吸収軸と 45° の角度をなすように 構成し、これ以外の条件は実施形態 1と同様の材料、製造方法にて直線偏光主導型 の MVAモードの液晶表示素子を作成した。実施形態 1と同様にして透過率を測定し たところ、 4. 0%となり、上述した実施形態 1及び 2より低い値であった。
[0087] 《比較例 2》
図 9に示した構成の液晶表示素子を作成した。実施形態 1と比較して第 3位相差板 2及び第 4位相差板 1を用いていない点以外は、実施形態 1と同様の材料、製造方法 にて液晶表示素子を作成した。実施形態 1と同様にしてコントラスト比の視角依存性 を測定した。測定結果は、図 10に示した通りである。図示するように、コントラスト比が 10 : 1以上の視野は、上下左右で ±40° となり、上述した実施形態 1及び 2より狭か つた o
[0088] 《比較例 3》
図 11に示した構成の液晶表示素子を作成した。用いた 2軸の位相差板は日東電 エネ土製のアートン榭脂からなる位相差板であり、面内位相差は 140nm、法線方向の 位相差 (nx— nzに層厚を乗じた値）は各々 105nmである。実施形態 1と同様にしてコ ントラスト比の視角依存性を測定した。測定結果は、図 13に示した通りである。図示 するように、コントラスト比が 10 : 1以上の視野は、斜め方位で ±80° と広いが、上下 左右方位では ±40° となり、上述した実施形態 1及び 2より狭かった。
[0089] 《実施形態 3》
実施形態 1における第 4位相差板 1を、一方は実施形態 1と同様の材料、もう一方は アートン榭脂からなる材料にて作成し、これらを用いて、これら以外の構成、材料、製 法、光学的な物性値は実施形態 1と同様にして、 2種類の液晶表示素子を作成した。 液晶層に印加する電圧を 1. 0Vとなるようにして駆動させ、黒表示時の色度の視角 依存性を評価した。
[0090] それぞれの評価結果を図 8A及び図 8Bに示す。図 8Aは液晶ポリマーにて作成し た第 4位相差板 1を適用した液晶表示素子の評価結果であり、図 8Bはアートン榭脂 にて作成した第 4位相差板 1を適用した液晶表示素子の評価結果である。また、いず れの結果も 80° コーンの視野における、色度の評価結果を全てプロットしたものであ る。いずれの結果も優れた色視野角特性であるが、実施形態 1の構成である図 8Aの 方がよりすぐれた色視角特性を得ることが確認できた。
[0091] 以上説明したように、この発明によれば、垂直配向モードや配向分割方垂直配向 モードなどの液晶層にて入射光の位相を略 2分の 1波長変調させる表示モードにお V、て、液晶分子の配列方位がシュリーレン配向や意図する方位以外の方位に配列 することなどによる透過率の低下を防ぐために、液晶層に入射する偏光を円偏光とし た円偏光主導型の表示モード、特に円偏光主導型 MVAモードにおいて、視野角特 性が狭いといった問題、及び、用いる部材の製造コストが高いといった問題を解決す るために、新規な液晶表示素子の構造を提供するものである。 [0092] これによれば、新規な構造により、従来の円偏光主導型 MVAモードと同様に、高 い透過率特性を得るば力りでなぐ優れたコントラスト視角特性を実現することができ 、しかも、従来の視角補償構造を伴った円偏光主導型 MVAモードよりも安価に提供 することができる。
[0093] なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなぐその実施の 段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体ィ匕できる。また、上 記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明 を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素カゝら幾つかの構成要素を削 除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。 産業上の利用可能性
[0094] 以上説明したように、この発明によれば、視野角特性を改善することができ、しか も、コストの低減が可能な液晶表示素子を提供することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 2枚の電極付基板間に液晶層を挟持したドットマトリクス型の液晶セルを、光源側に 位置する第 1偏光板及び観察側に位置する第 2偏光板間に配置し、前記第 1偏光板 と前記液晶セルとの間に第 1位相差板を配置し、前記第 2偏光板と前記液晶セルと の間に第 2位相差板を配置した表示素子であり、各画素の液晶分子配列が画素に 電圧を印加していない状態において基板主面に対してほぼ垂直に配向した円偏光 主導型の垂直配向モードの液晶表示素子であって、
前記第 1偏光板及び前記第 1位相差板を含む円偏光子構成体と、
前記液晶セルを含む可変リターダー構成体と、
前記第 2偏光板及び前記第 2位相差板を含む円検光子構成体とを、
前記光源、前記円偏光子構成体、前記可変リターダー構成体、前記円検光子構成 体の順に構成させた液晶表示素子であり、
前記第 1位相差板及び前記第 2位相差板は、進相軸及び遅相軸を透過する所定 波長の光の間に 1Z4波長の位相差を与える一軸の 4分の 1波長板であり、
前記円偏光子構成体は、円偏光子を出射した出射光の偏光状態が出射方位によ らず略円偏光となるように偏光子の視角特性を補償する第 1補償手段を備え、 さらに、前記可変リターダー構成体は、前記液晶セルの位相差の視角特性を補償 する第 2補償手段を備えたことを特徴とする液晶表示素子。
[2] 2枚の電極付基板間に液晶層を挟持したドットマトリクス型の液晶セルを、光源側に 位置する第 1偏光板及び観察側に位置する第 2偏光板間に配置し、前記第 1偏光板 と前記液晶セルとの間に第 1位相差板を配置し、前記第 2偏光板と前記液晶セルと の間に第 2位相差板を配置した表示素子であり、各画素の液晶分子配列が画素に 電圧を印加していない状態において基板主面に対してほぼ垂直に配向した円偏光 主導型の垂直配向モードの液晶表示素子であって、
前記第 1偏光板及び前記第 1位相差板を含む円偏光子構成体と、
前記液晶セルを含む可変リターダー構成体と、
前記第 2偏光板及び前記第 2位相差板を含む円検光子構成体とを、
前記光源、前記円偏光子構成体、前記可変リターダー構成体、前記円検光子構成 体の順に構成させた液晶表示素子であり、
前記第 1位相差板及び前記第 2位相差板は、進相軸及び遅相軸を透過する所定 波長の光の間に 1Z4波長の位相差を与える一軸の 4分の 1波長板であり、
前記第 1偏光板と前記第 1位相差板との間に、屈折率異方性が nx>ny=nzとなる 光学的に 1軸の第 3位相差板をその遅相軸が前記第 1偏光板の透過軸と略平行とな るよう酉己置し、
さらに、前記液晶セルと前記第 1位相差板若しくは前記第 2位相差板との間に、屈 折率異方性が nx =ny> nzとなる光学的に負の 1軸の第 4位相差板を配置したことを 特徴とする液晶表示素子。
[3] 前記液晶セルは、電圧を印加した状態にて画素内の液晶分子配列が少なくとも 2 方位を向くように制御された配向分割型の垂直配向モードであることを特徴とする請 求項 1に記載の液晶表示素子。
[4] 前記液晶セルは、電圧を印加した状態にて画素内の液晶分子配列が少なくとも 2 方位を向くように制御された配向分割型の垂直配向モードであることを特徴とする請 求項 2に記載の液晶表示素子。
[5] 各画素における開口領域のうち、少なくとも半分の領域において、前記電圧を印加 した状態における画素内の液晶分子配列方位が前記第 1偏光板の吸収軸若しくは 透過軸と略平行となるように制御されたことを特徴とする請求項 1に記載の液晶表示 素子。
[6] 各画素における開口領域のうち、少なくとも半分の領域において、前記電圧を印加 した状態における画素内の液晶分子配列方位が前記第 1偏光板の吸収軸若しくは 透過軸と略平行となるように制御されたことを特徴とする請求項 2に記載の液晶表示 素子。
[7] 画素内に配向分割制御用の突起を備えたことを特徴とする請求項 5に記載の液晶 表示素子。
[8] 画素内に配向分割制御用の突起を備えたことを特徴とする請求項 6に記載の液晶 表示素子。
[9] 前記電極に配向分割制御用のスリットを設けたことを特徴とする請求項 5に記載の 液晶表示素子。
[10] 前記電極に配向分割制御用のスリットを設けたことを特徴とする請求項 6に記載の 液晶表示素子。
[11] 2枚の前記基板における前記液晶層を挟持する面に配向分割制御用の配向処理 を施した配向膜を設けたことを特徴とする請求項 5に記載の液晶表示素子。
[12] 2枚の前記基板における前記液晶層を挟持する面に配向分割制御用の配向処理 を施した配向膜を設けたことを特徴とする請求項 6に記載の液晶表示素子。
[13] 前記第 4位相差板は、カイラルネマティック、コレステリック、ディスコティック液晶ポリ マーのいずれかからなる Cプレート層を有することを特徴とする請求項 2に記載の液 晶表示素子。
[14] 前記第 4位相差板は、 Cプレート層を前記第 2位相差板上に形成したことを特徴と する請求項 13に記載の液晶表示素子。
[15] 前記第 3位相差板は、アートン榭脂、ポリビュルアルコール榭脂、ゼォノア榭脂、トリ ァセチルセルロース榭脂のいずれかの榭脂によって形成されたことを特徴とする請 求項 2に記載の液晶表示素子。
[16] 前記第 4位相差板は、その面内方向の屈折率を nxy (C)、法線方向の屈折率を nz
(C)、厚みを d(C)とし、前記液晶層の液晶材料の屈折率異方性を A n (LC)、前記 液晶層の厚みを d(LC)、液晶表示素子への入射光の波長をえとしたとき、
Δ n (LC) X d (LC)≥ {nxy (C)— nz (C) } X d (C)
≥ A n (LC) X d (LC)-l /2
を満足することを特徴とする請求項 2に記載の液晶表示素子。
[17] 光源と、
一対の基板間に液晶層を挟持し、前記液晶層の前記基板法線方向の屈折率が前 記基板面内方向の屈折率より大きい状態を採り得る複屈折モードの液晶セルを含む 可変リターダー構成体と、
前記光源と前記可変リターダー構成体との間に配置され、第 1偏光板と、前記第 1 偏光板と前記可変リターダー構成体との間に配置された第 1位相差板と、を有する円 偏光子構成体と、 前記可変リターダー構成体に対し前記光源とは対向する観察面側に配置され、第
2偏光板と、前記可変リターダー構成体と前記第 2偏光板との間に配置された第 2位 相差板と、を有する円検光子構成体と、
を備えた液晶表示素子であって、
前記円偏光子構成体は、前記円偏光子構成体からの出射光の偏光状態が出射方 位によらず略円偏光となるように前記第 1偏光板に起因する視角特性を補償する第 1 補償手段を備え、
前記可変リターダー構成体は、前記液晶セルの位相差の視角特性を補償する第 2 補償手段を備えたことを特徴とする液晶表示素子。
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