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JP3824772B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示コントラスト、階調特性および表示色の視野角特性および正面での表示コントラスト特性の改良されたツイステッドネマチック型液晶表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
TFT素子あるいはMIM素子などを用いたアクティブ駆動のツイステッドネマチック型液晶表示装置(以下TN−LCDと略称する)は、薄型、軽量、低消費電力というLCD本来の特長に加えて、正面から見た場合CRTに匹敵する画質を有するために、ノートパソコン、携帯用テレビ、携帯用情報端末などの表示装置として広く普及している。しかしながら、従来のTN−LCDにおいては、液晶分子の持つ屈折率異方性のため斜めから見たときに表示色が変化するあるいは表示コントラストが低下するという視野角の問題が本質的に避けられず、その改良が強く望まれており、改良のための様々な試みがなされている。
【0003】
一つの画素を分割してそれぞれの画素への印可電圧を一定の比で変える方法(ハーフトーングレースケール法)、一つの画素を分割してそれぞれの画素での液晶分子の立ち上がり方向を変える方法(ドメイン分割法)、液晶に横電界をかける方法(IPS法)、垂直配向させた液晶を駆動する方法(VA液晶法)、あるいはベンド配向セルと光学補償板を組み合わせる方法(OCB法)などが提案され、開発・試作されている。
【0004】
しかしながらこれらの方法は一定の効果はあるものの、配向幕、電極、液晶配向などを変えなければならず、そのための製造技術確立および製造設備の新設が必要となり、結果として製造の困難さとコスト高を招いている。
一方TN−LCDの構造は一切変えず、従来のTN−LCDに光学補償フィルムを組み込むことで視野角を拡大させる方法がある。この方法はTN−LCD製造設備の改良・増設が不要でコスト的に優れており、簡便に使用できる利点があるため注目されており多くの提案がある。
【0005】
ノーマリーホワイト(NW)モードのTN−LCDに視野角問題が発生する原因は、電圧を印可した黒表示時におけるセル中の液晶の配向状態にある。この状態においては当該セル中の液晶はほぼ垂直配向しており、光学的に正の一軸性となっている。したがって視野角を広げるための光学補償フィルムとしては、当該黒表示時における正の一軸性を補償するために、光学的に負の一軸性を示すフィルムを用いる提案がなされている。またセル中の液晶が、黒表示時においても、配向膜界面付近ではセル界面と平行もしくは傾いた配向をしていることに着目し、光学軸が傾いた負の一軸性のフィルムを用いて補償することによって、さらに視野角拡大効果を高める方法も提案されている。
【0006】
例えば特開平4−349424号公報及び特開平6−250166号公報にはらせん軸が傾いたコレステリックフィルムを用いた光学補償フィルムおよびそれを用いたLCDが提案されている。
また特開平5−249547号公報及び特開平6−331979号公報には光軸が傾いた負の一軸補償器を用いたLCDが提案されており、具体的な実施態様としては多層薄膜補償器を用いている。さらに特開平7−146409号公報及び特開平8−5837号公報などにおいて光軸が傾いた負の一軸性補償フィルムとしてディスコチック液晶を傾斜配向させた光学補償フィルム及びそれを用いたLCDが提案されている。視野角補償フィルムの他の形態としては正の一軸性を有する液晶性高分子を用いた配向フィルムも提案されている。例えば特開平7−20434号公報においてハイブリッドチルト配向した液晶性高分子フィルムからなるLCD用補償板が提案されており、LCDの視野角拡大に用いられている。
【0007】
しかしながら、いずれの場合も補償フィルムによる正面でのコントラスト改善効果はみられず、また使用する補償フィルムにはフィルム面内にリターデーションを有するため、製造時のフィルム面内遅相軸方位のばらつきにより液晶表示装置の正面特性の劣化が起こる問題があった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題を解決するものであり、フィルム面内にリターデーションを有する補償フィルムの遅相軸方位を特定の位置に設置した液晶表示装置に関する。さらに詳しくは、正面コントラストを向上させ、補償フィルムの遅相軸方位のばらつきによる液晶表示装置の正面特性劣化を生じさせることなく、従来にない高コントラスト、広視野角化が達成されたツイステッドネマチック型液晶表示装置を提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、フィルム面内にリターデーションを有する少なくとも1枚の液晶性フィルム、電極を備えた一対の透明基板と当該基板間に挟持されたネマチック液晶とから構成される駆動用ツイステッドネマチック型液晶セルおよび当該液晶セルの上下に配置される2枚の偏光板とを有すると共に、偏光板の吸収軸または透過軸が、当該偏光板が最も近接した液晶セル基板における液晶分子の配向方向と略平行であり、かつ当該液晶性フィルムのフィルム面内の遅相軸方位と偏光板の吸収軸または透過軸となす角が0.2°〜8°の範囲であることを特徴とする液晶表示装置に関する。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明についてさらに詳しく説明する。
本発明に用いられる駆動用ツイステッドネマチック型液晶セル(以下、TN液晶セルと略す)を駆動方式で分類すると、単純マトリクス方式、能動素子を電極として用いるTFT(Thin Film Trasistor)電極、MIM(Metal Insulator Metal、およびTFD;Thin Film Diode)電極を用いるアクティブマトリクス方式等のように細分化できる。本発明では、いずれの駆動方式のTN液晶セルに対しても当該液晶セルと後述する補償フィルムとを組み合わせることにより正面コントラストの改善効果と顕著な視野角改善効果を発揮した液晶表示装置を得ることができる。
【0011】
また本発明においては、駆動電圧の印加法については特に制限はない。通常電圧を印加する方法としては、セル基板内側の電極に外部の駆動回路から直接電圧を印加する方法、電極に2端子の非線型素子または3端子の能動素子を配置し、この非線型素子のスイッチングにより電圧を印加する方法などがある。ここで2端子の非線型素子としては、強誘電体を使用した容量の非線型を利用したもの、電気抵抗の非線型を示すダイオード、MIM(Metal InsulatorMetal)、バリスタなどが例示される。また3端子の能動素子としては、セル基板上に形成したTFT(Thin Film Transistor)、MOS(Metal−Oxide Semiconductor)アレイ、SOS(Silicon on Sapphire)などが例示される。またTN液晶セルの外側に別途放電セルを設け、放電により発生する電圧を当該液晶セルに印加する方法もある。本発明においては、いずれの方法も用いることができる。
【0012】
また本発明に用いられるTN液晶セルは、当該液晶セルに含まれるネマチック液晶の屈折率異方性(Δn)と当該液晶セルの液晶層の厚み(d)との積で示されるΔnd値が、通常300nm〜500nmであることが好ましい。500nmより大きい場合、後述する補償フィルムと組み合わせた際の視野角改善効果が乏しくなる恐れがある。また応答速度が遅くなる可能性もあり望ましくない。300nmより小さい場合、当該補償フィルムと組み合わせた際、視野角の改善効果はあるものの正面での輝度低下を生じる恐れがある。
【0013】
またTN液晶セルは、ネマチック液晶の液晶分子の配向欠陥を低減するためにあらかじめ当該液晶分子にプレチルト角を与えることが好ましい。プレチルト角は通常8°以下であることが望ましい。
さらに一般にTN液晶セルは、当該液晶セル内のネマチック液晶の長軸が上下基板間で通常90°ねじれている。液晶セルに電圧を印可しない状態では入射した直線偏光はその旋光性により90°ねじれて出射する。液晶セルに電圧を印可すると液晶分子の長軸は電界方向に配向し旋光性は消失する。よってこの旋光の効果を十分に得るために、本発明に用いられるTN液晶セルのツイスト角は、通常70°〜110°、好ましくは85°〜95°であることが望ましい。なお当該液晶セル中の液晶分子のねじれ方向は、左および右方向のどちらでも良い。
【0014】
本発明では補償フィルムとして液晶性フィルムが用いられる。これは、フィルム面内にリターデーションを有する光学要素である。当該リターデーションは、通常5〜300nmの範囲にあることが好ましく、さらに好ましくは10〜200nmである。リターデーションが5nmより小さい場合には十分な効果が得ることができない恐れがあり、また300nmより大きい場合には当該フィルムの貼合角度のマージンが著しく低下するので望ましくない。
【0015】
フィルム面内にリターデーションを有する光学要素の例としては、例えば水晶、方解石などの無機結晶、高分子フィルムおよび液晶性フィルムなどが挙げられる。本発明では、取り扱いの容易さおよび視野角特性効果の点から液晶性フィルムが用いられる。
【0016】
液晶性フィルムは、光学的に正または負の一軸性を示す液晶性物質をフィルム化することにより得ることができる。液晶性物質としては、例えば棒状、円盤状といった分子の形状や、低分子、高分子を問わず、光学的に正または負の一軸性を示す液晶性化合物若しくは液晶性組成物を用いることができる。
ここで低分子液晶としては、例えばトリフェニレン誘導体やトルクセン誘導体などに代表されるディスコティック液晶を、得られるフィルムの光学特性などの点から好ましい低分子液晶として挙げることができる。また高分子液晶としては、例えば液晶性を示すポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエステルイミドなどの主鎖型高分子液晶、またはポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリマロネート、ポリシロキサンなどの側鎖型高分子液晶が挙げられる。なかでも合成の容易さ、配向性、ガラス転移点などからポリエステルが好ましい高分子液晶として挙げることができる。
【0017】
なお本発明において上記液晶性フィルムとは、当該液晶性物質をフィルム化することにより得られたものを意味するものであり、当該フィルムが液晶性を呈するか否かは問わない。
当該液晶性フィルムは、通常、液晶状態において上記の如き液晶性物質が形成した配向状態を、例えば光架橋、熱架橋または冷却といった方法によって固定化することにより得ることができる。尚、本発明は、当該液晶性物質が液晶状態において形成した配向状態によって限定されるものでない。配向状態としては、例えばコレステリック配向、均一チルト配向、ネマチックハイブリッド配向およびディスコティックハイブリッド配向などを挙げることができる。本発明では、いずれの配向状態を固定化した液晶性フィルムでも補償フィルムとして用いることができるが、なかでもネマチックハイブリッド配向、ディスコティックハイブリッド配向を固定化した液晶性フィルムが望ましい。
【0018】
次に、上記液晶性フィルム(以下、補償フィルムと称する場合がある)を先に説明したTN液晶セルと組み合わせる配置について具体的に説明する。補償フィルムの配置位置は、偏光板とTN液晶セルとの間であればよく、1枚または複数枚の補償フィルムを配置することができる。本発明において当該補償フィルムの遅相軸の回転方向は、液晶セルのねじれ方向および液晶セル基板における液晶分子の配向方向と、補償フィルムの遅相軸の関係によって決定される。具体的には偏光板の吸収軸または透過軸が、該偏光板が最も近接した液晶セル基板における液晶分子の配向方向と略平行であって、補償フィルムの遅相軸方位と当該フィルムが最も近接した偏光板の吸収軸または透過軸のなす角度を、当該偏光板側から見て当該偏光板が最も近接した液晶セル基板におけるネマチック液晶分子の配向方向がセル内部に向かって回転する方向に対して補償フィルムの遅相軸が当該フィルムの最も近接した液晶セル基板における液晶分子の配向方向と直交に近い場合は順方向に、平行に近い場合は逆方向に所定角度に配置する。当該所定角度とは、使用する補償フィルムのフィルム面内リターデーション、駆動セルのセルギャップ、ねじれ角、プレチルト、印加電圧やTN液晶セルを構成するネマチック液晶の弾性定数などによって異なるため一概には言えないが、通常0.1°〜10°、好ましくは0.2°〜8°、さらに好ましくは0.5°〜6°、特に好ましくは1°〜4°の範囲である。所定角度の範囲が上記範囲からはずれた場合には正面コントラストが低下する恐れがあり望ましくない。ここで図1に上記配置における、偏光板の吸収軸または透過軸、TN液晶セルを構成するネマチック液晶分子の配向方向および補償フィルムの遅相軸との関係を示す。
【0019】
なお本発明の液晶表示装置では、1枚または2枚の補償フィルムを用いて補償を行うことが実用上好ましい。3枚以上の補償フィルムを用いても、補償は可能であるが、コストアップに繋がるためあまり好ましいとはいえない。より具体的な配置位置を例示すると以下のようになる。ただし、これらはあくまで代表的な配置位置であり本発明はこれらに限定されるものではない。
【0020】
先ず補償フィルム1枚を配置する場合について説明する。補償フィルムは、偏光板とTN液晶セルの間に配置し、当該液晶セルの上面側でも良いし下面側でも良い。この配置の際、偏光板の吸収軸または透過軸が、該偏光板に最も近接した液晶セル基板における液晶分子の配向方向と略平行であって、補償フィルムの遅相軸方向と偏光板の吸収軸または透過軸のなす角度が、該偏光板側から見て該偏光板に最も近接した液晶セル基板におけるネマチック液晶分子の配向方向がセル内部に向かって回転する方向に対して補償フィルムの遅相軸が当該フィルムに最も近接した液晶セル基板における液晶分子の配向方向と直交に近い場合は順方向に、平行に近い場合は逆方向に上記所定角度の範囲となるように配置する。
【0021】
次いで補償フィルム2枚を配置する場合について説明する。2枚補償フィルムを配置する場合、2枚を同じ側、例えばTN液晶セルと上側偏光板との間または該液晶セルと下側偏光板との間に2枚配置しても良い。また上側および下側偏光板とTN液晶セルとの間にそれぞれ1枚配置しても良い。なお2枚の補償フィルムは、同一の光学パラメーターを有するものを用いても良いし、また光学パラメーターが異なる該フィルムを用いても良い。
【0022】
上側および下側偏光板とTN液晶セルとの間にそれぞれ1枚ずつ補償フィルムを配置する場合について説明する。該配置においては、それぞれの補償フィルムを上述の1枚を配置する場合と同様な配置にする。すなわち、それぞれの偏光板の吸収軸または透過軸が該偏光板に最も近接した液晶セル基板における液晶分子の配向方向と略平行であって、それぞれの補償フィルムの遅相軸方向とそれぞれの偏光板の吸収軸または透過軸とのなす角度が、該偏光板側から見て該偏光板に最も近接したTN液晶セル基板における液晶分子の配向方向がセル内部に向かって回転する方向に対して補償フィルムの遅相軸が該フィルムに最も近接した液晶セル基板における液晶分子の配向方向と直交に近い場合は順方向に、平行に近い場合は逆方向に上記所定角度の範囲となるように配置する。
【0023】
次いでTN液晶セルと上側または下側偏光板との間のどちらか一方に2枚の補償フィルムを配置する場合について説明する。なおTN液晶セルに最も近接した位置に配置する補償フィルムをフィルム1、該フィルム1と上側または下側偏光板との間に配置される補償フィルムをフィルム2と仮定する。該配置においてTN液晶セルに最も近接したフィルム1については、上述の1枚の補償フィルムを配置する条件と同様に配置する。すなわち、偏光板の吸収軸または透過軸が該偏光板に最も近接した液晶セル基板における液晶分子の配向方向と略平行であって、フィルム1の遅相軸方向と偏光板の吸収軸または透過軸のなす角度が、該偏光板側から見て該偏光板に最も近接した液晶セル基板における液晶分子の配向方向がセル内部に向かって回転する方向に対して、補償フィルムの遅相軸が当該フィルムに最も近接した液晶セル基板における液晶分子の配向方向と直交に近い場合は順方向に、平行に近い場合は逆方向に上記所定角度となるように配置する。次いでフィルム1と上側または下側偏光板との間に配置されるフィルム2の配置は、当該フィルム2の遅相軸方向と偏光板の吸収軸または透過軸とのなす角度を、偏光板側からみてフィルム1に最も近接したTN液晶セルのセル基板とは反対側セル基板の液晶分子の配向方向がセル内部に向かって回転する方向に対して、フィルム2の遅相軸が当該フィルム2に最も近接した液晶セル基板における液晶分子の配向方向と直交に近い場合は順方向に、平行に近い場合は逆方向に上記所定角度に配置する。なお上記配置においては、フィルム1とフィルム2の配置位置を交換してもよい。
【0024】
以上説明したように、本発明では少なくとも1枚のフィルム面内にリターデーションを有する補償フィルムを、当該フィルムの遅相軸を所定角度に配置することにより、高コントラスト化、広視野角化が成された液晶表示装置を得ることができる。
【0025】
【実施例】
以下に実施例を述べるが、本発明はこれらに制限されるものではない。
〔実施例1〕
液晶材料としてZLI−4792を用い、セルギャップ4.8μm、Δnd470nm、ねじれ角90度(左ねじれ)のTN液晶セルを作製し、フィルムの面内リターデーションが50nmであるポリカーボネートフィルムを2枚用いて、図2および図3の配置となるようにTN液晶セルの上下に1枚ずつ配置した。ポリカーボネートフィルムの遅相軸と偏光板の透過軸のなす角は1度とした。当該液晶セルに対して、300Hzの短形波で電圧を印加した。白表示0V、黒表示6Vと駆動電圧を設定した。図1および図2の如くフィルムを配置したTN液晶セルの全方位からの透過率測定を、浜松ホトニクス(株)製FEP光学系DVS−3000を用いて行い、コントラストの視野角特性を評価した。その結果を図4に示す。フィルムを使用しないものと比較して正面のコントラストが改善され、左右方向20°までのコントラストの視野角特性が改善された。
【0026】
〔実施例2〕
式(1)に示した液晶性ポリエステルの5wt%のテトラクロロエタン溶液を調製した。当該溶液をラビングポリイミド膜を有するガラス基板上にスピンコート法により塗布し、溶媒を除去した。次いで250℃で30分間熱処理した。熱処理した後、冷却し、当該液晶性ポリエステルの配向を固定化した。こうして得られたガラス基板上の液晶性ポリエステルからなるフィルムは、ネマチックハイブリッド配向を有しており、透明で配向欠陥はなく、均一な膜厚(0.60μm)であった。また当該フィルムの平均チルト角は、35度であった。
【0027】
【化1】
Figure 0003824772
【0028】
このラビングポリイミド膜を有するガラス基板上に形成したフィルムを2枚用いて、図2および図3の配置となるようにTN液晶セルの上下に1枚ずつ配置した。なおTN液晶セルの上下に配置されたフィルムは、共に該フィルムのガラス基板側をセル基板に近接するように配置した。フィルムの遅相軸と偏光板の透過軸のなす角は2度とした。
当該液晶セルに対して、300Hzの短形波で電圧を印加した。白表示0V、黒表示6Vと駆動電圧を設定した。
フィルムを配置したTN液晶セルの全方位からの透過率測定を浜松ホトニクス(株)製FEP光学系DVS−3000を用いて行い、コントラストの視野角特性を評価した。その結果を図5および図6に示す。フィルムを使用しないものと比較して正面のコントラストが改善され、左右方向に関しては20°まで、上下方向についてはほぼ全領域でコントラストの視野角特性が改善された。
【0029】
〔実施例3〕
式(2)に示したディスコティック液晶化合物10gに対し、光開始剤Irgacure907(CIBA−GEIGY社製)を0.4g添加し、40gのトリエチレングリコールジメチルエーテルを加えて塗布用溶液を調製した。当該溶液をラビングポリイミド膜を有するガラス基板上にロールコート法により塗布し、次いで80℃のホットプレート上で乾燥し、140℃のオーブンで10分熱処理した。室温中に取り出して冷却した後、室温中で高圧水銀灯ランプを用い光照射を行い光架橋したフィルム1を得た。露光量は600mJ/cm2 とした。こうして得られたガラス基板上のディスコティック液晶化合物からなるフィルムは、ディスコティックハイブリッド配向を有しており、透明で配向欠陥はなく、均一な膜厚(1.30μm)であった。また当該フィルムの平均チルト角は、45度であった。
【0030】
【化2】
Figure 0003824772
【0031】
このラビングポリイミド膜を有するガラス基板上に形成したフィルムを2枚用いて、図2および図3の配置となるようにTN液晶セルの上下に1枚ずつ配置した。なおTN液晶セルの上下に配置されたフィルムは、共に該フィルムのガラス基板側をセル基板に近接するように配置した。フィルムの遅相軸と偏光板の透過軸のなす角は4度とした。
当該液晶セルに対して、300Hzの短形波で電圧を印加した。白表示0V、黒表示6Vと駆動電圧を設定した。
フィルムを配置したTN液晶セルの全方位からの透過率測定を浜松ホトニクス(株)製FEP光学系DVS−3000を用いて行い、コントラストの視野角特性を評価した。その結果を図7に示す。フィルムを使用しないものおよびフィルムを使用した場合でも遅相軸を回転させなかったものと比較して正面のコントラストが改善され、左右方向20°までのコントラストの視野角特性が改善された。
【0032】
〔比較例1〕
実施例1−3と同じ液晶セルを用い、補償フィルムを用いない以外は、全て同様にしてTN液晶セルの特性の評価した。作製したTN液晶セルの全方位からの透過率測定を浜松ホトニクス(株)製FEP光学系DVS−3000を用いて行い、コントラストの視野角特性を評価した。
【0033】
〔比較例2〕
実施例1と同じ液晶セルおよび補償フィルムを用い、補償フィルムの遅相軸の回転方向を逆にした以外はすべて同様にしてコントラストの視野角評価を行った。結果を図8に示す。フィルムは使用しないものと比較して正面のコントラストが低下し左右方向20°までのコントラストの視野角特性が悪化した。
【0034】
〔比較例3〕
実施例3と同じ液晶セルおよび補償フィルムを用い、補償フィルムの遅相軸と偏光板の透過軸のなす角を0度とした以外はすべて同様にしてコントラストの視野各評価を行った。結果を図9に示す。実施例3と比較して正面のコントラストが低下し、左右方向20°までのコントラストの視野角特性が悪化した。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における補償フィルムの遅相軸の回転方向(偏光板側から見た図)。
【図2】実施例1、2、3における各光学素子の配置図。
【図3】実施例1、2、3における各光学素子の軸配置。
【図4】実施例1と比較例1におけるコントラストの視野角特性(左右方向)。
【図5】実施例2と比較例1におけるコントラストの視野角特性(左右方向)。
【図6】実施例2と比較例1におけるコントラストの視野角特性(上下方向)。
【図7】実施例3と比較例1におけるコントラストの視野角特性(左右方向)。
【図8】比較例2と比較例1におけるコントラストの視野角特性(左右方向)。
【図9】比較例3と実施例3におけるコントラストの視野角特性(左右方向)。
【符号の説明】
図1において:
1 偏光板吸収軸または透過軸
2 補償フィルム遅相軸
3 液晶セルのフィルム貼合面側の液晶分子の配向方向
4 液晶セルのフィルム貼合面側反対側の液晶分子の配向方向
5 液晶分子の回転方向
6 視野角補償フィルムの遅相軸の回転方向
(a)左ねじれセルで液晶分子の配向軸と補償フィルムの遅相軸が平行に近い場合
(b)左ねじれセルで液晶分子の配向軸と補償フィルムの遅相軸が直交に近い場合
(c)右ねじれセルで液晶分子の配向軸と補償フィルムの遅相軸が平行に近い場合
(d)右ねじれセルで液晶分子の配向軸と補償フィルムの遅相軸が直交に近い場合
図2において:
1,1’ 電極
2,2’ 透明基板
3,3’ 補償フィルム
4,4’ 偏光板
5 液晶分子
6 液晶セル

Claims (1)

  1. フィルム面内にリターデーションを有する少なくとも1枚の液晶性フィルム、電極を備えた一対の透明基板と当該基板間に挟持されたネマチック液晶とから構成される駆動用ツイステッドネマチック型液晶セルおよび当該液晶セルの上下に配置される2枚の偏光板とを有すると共に、偏光板の吸収軸または透過軸が、当該偏光板が最も近接した液晶セル基板における液晶分子の配向方向と略平行であり、かつ当該液晶性フィルムのフィルム面内の遅相軸方位と偏光板の吸収軸または透過軸となす角が0.2°〜8°の範囲であることを特徴とする液晶表示装置。
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