JP4649149B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

この発明は、液晶表示装置に係り、特に、バックライト光を利用して画像を表示する透過型液晶表示装置に関する。

透過型液晶表示装置は、液晶表示パネルを構成するアレイ基板及び対向基板の外面にそれぞれ光の偏光状態を制御する偏光制御素子を備えている。これらの偏光制御素子は、偏光板と、２種類の位相差板（所定波長の光に対して常光線と異常光線との間に１／２波長の位相差を与える１／２波長板、及び、所定波長の光に対して常光線と異常光線との間に１／４波長の位相差を与える１／４波長板）とを組み合わせて構成された円偏光板である。すなわち、偏光制御素子は、液晶層に入射する所定波長の光の偏光状態を円偏光とするように制御するものである（例えば、特許文献１参照。）。

このような構成の液晶表示装置は、様々な用途で利用可能であるが、その特徴から携帯機器の表示装置としての用途が高まっている。携帯機器への利用を考慮する際、実使用の観点から画像を表示した時の視野角特性の改善が強く要望されている。

例えば、それぞれの偏光制御素子が上述したような２種類の位相差板を含んで構成された液晶表示装置では、その視野角特性は、３０°（ＣＲ（コントラスト）＝１０）とかなり狭く課題となっている。特に、視線を液晶表示パネルの法線方向から画面の上側及び下側に倒して観察した場合の視野角特性の向上が望まれている。
特開平０１−２７００２４号公報

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、薄型化及び低コスト化が実現できるとともに、光学特性の良好な液晶表示装置を提供することにある。

本実施形態によれば、
マトリクス状に配置された複数の画素を有する液晶表示装置であって、
互いに対向して配置された第１基板と第２基板との間に液晶層を保持し、各画素にカラーフィルタが配置された透過型の液晶表示パネルと、
前記第１基板の前記液晶層を保持する面とは反対の外面に設けられ、楕円偏光の偏光状態を有する光を通過する第１偏光制御素子と、
前記第２基板の前記液晶層を保持する面とは反対の外面に設けられ、前記第１偏光制御素子を通過した楕円偏光とは逆回りの楕円偏光の偏光状態を有する光を通過する第２偏光制御素子と、を備え、
前記第１偏光制御素子及び前記第２偏光制御素子のそれぞれは、１枚の偏光板と、１枚の位相差板とで構成され、前記位相差板は１／４波長板であり、
前記液晶層は、画面の水平方向に対応するＸ軸と画面の垂直方向に対応するＹ軸とで規定されるＸ−Ｙ平面内において、Ｘ軸とのなす角度が２２５°の方位、あるいは、Ｘ軸とのなす角度が３００°乃至３１５°の方位にホモジニアス配向した液晶分子を含み、
カラー表示に利用されるすべての波長範囲の光に対して略均一な楕円率を有する楕円偏光を利用することを特徴とする液晶表示装置が提供される。

この発明によれば、薄型化及び低コスト化が実現できるとともに、光学特性の良好な液晶表示装置を提供することができる。

以下、この発明の一実施の形態に係る液晶表示装置について図面を参照して説明する。

図１及び図２に示すように、液晶表示装置は、アクティブマトリクスタイプの透過型カラー液晶表示装置であって、液晶表示パネルＬＰＮを備えている。この液晶表示パネルＬＰＮは、アレイ基板（第１基板）ＡＲと、アレイ基板ＡＲと互いに対向して配置された対向基板（第２基板）ＣＴと、これらアレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとの間に保持された液晶層ＬＱと、を備えて構成されている。

また、この液晶表示装置は、アレイ基板ＡＲの液晶層ＬＱを保持する面とは反対の外面に設けられた第１偏光制御素子ＰＯＬ１、及び、対向基板ＣＴの液晶層ＬＱを保持する面とは反対の外面に設けられた第２偏光制御素子ＰＯＬ２を備えている。さらに、この液晶表示装置は、第１偏光制御素子ＰＯＬ１側から液晶表示パネルＬＰＮを照明するバックライトユニットＢＬを備えている。

このような液晶表示装置は、画像を表示する表示領域ＤＳＰにおいて、ｍ×ｎ個のマトリクス状に配置された複数の画素ＰＸを備えている。

アレイ基板ＡＲは、ガラス板や石英板などの光透過性を有する絶縁基板１０を用いて形成される。すなわち、このアレイ基板ＡＲは、表示領域ＤＳＰにおいて、画素毎に配置されたｍ×ｎ個の画素電極ＥＰ、これら画素電極ＥＰの行方向に沿ってそれぞれ形成されたｎ本の走査線Ｙ（Ｙ１〜Ｙｎ）、これら画素電極ＥＰの列方向に沿ってそれぞれ形成されたｍ本の信号線Ｘ（Ｘ１〜Ｘｍ）、各画素ＰＸにおいて走査線Ｙと信号線Ｘとの交差位置近傍に配置されたｍ×ｎ個のスイッチング素子Ｗ（例えば薄膜トランジスタ）、液晶容量ＣＬＣと並列に補助容量ＣＳを構成するよう画素電極ＥＰに容量結合する補助容量線ＡＹなどを備えている。

アレイ基板ＡＲは、さらに、表示領域ＤＳＰの周辺の駆動回路領域ＤＣＴにおいて、ｎ本の走査線Ｙに接続された走査線ドライバＹＤ、及び、ｍ本の信号線Ｘに接続された信号線ドライバＸＤの少なくとも一部を備えている。走査線ドライバＹＤは、コントローラＣＮＴによる制御に基づいてｎ本の走査線Ｙに順次走査信号（駆動信号）を供給する。また、信号線ドライバＸＤは、コントローラＣＮＴによる制御に基づいて各行のスイッチング素子Ｗが走査信号によってオンするタイミングでｍ本の信号線Ｘに映像信号（駆動信号）を供給する。これにより、各行の画素電極ＥＰは、対応するスイッチング素子Ｗを介して供給される映像信号に応じた画素電位にそれぞれ設定される。

各スイッチング素子Ｗは、Ｎチャネル薄膜トランジスタであり、絶縁基板１０上に配置されたポリシリコン半導体層１２を備えている。ポリシリコン半導体層１２は、チャネル領域１２Ｃを挟んだ両側にそれぞれソース領域１２Ｓ及びドレイン領域１２Ｄを有している。このポリシリコン半導体層１２は、ゲート絶縁膜１４によって覆われている。

スイッチング素子Ｗのゲート電極ＷＧは、１本の走査線Ｙに接続され（あるいは走査線Ｙと一体的に形成され）、走査線Ｙ及び補助容量線ＡＹとともにゲート絶縁膜１４上に配置されている。これらゲート電極ＷＧ、走査線Ｙ、及び、補助容量線ＡＹは、層間絶縁膜１６によって覆われている。

スイッチング素子Ｗのソース電極ＷＳ及びドレイン電極ＷＤは、層間絶縁膜１６上においてゲート電極ＷＧの両側に配置されている。ソース電極ＷＳは、１個の画素電極ＥＰに接続されるとともに、ポリシリコン半導体層１２のソース領域１２Ｓにコンタクトしている。ドレイン電極ＷＤは、１本の信号線Ｘに接続される（あるいは信号線Ｘと一体に形成される）とともに、ポリシリコン半導体層１２のドレイン領域１２Ｄにコンタクトしている。これらソース電極ＷＳ、ドレイン電極ＷＤ、及び信号線Ｘは、有機絶縁膜１８によって覆われている。

画素電極ＥＰは、有機絶縁膜１８上に配置され、ソース電極ＷＳと電気的に接続されている。この画素電極ＥＰは、インジウム・ティン・オキサイド（ＩＴＯ）などの光透過性を有する金属膜によって形成される。すべての画素ＰＸに対応した画素電極ＥＰは、配向膜２０によって覆われている。

一方、対向基板ＣＴは、ガラス板や石英板などの光透過性を有する絶縁基板３０を用いて形成される。すなわち、この対向基板ＣＴは、表示領域ＤＳＰにおいて、各画素ＰＸを区画するブラックマトリクス３２、ブラックマトリクス３２によって囲まれた各画素に配置されたカラーフィルタ３４、単一の対向電極ＥＴなどを備えている。

ブラックマトリクス３２は、アレイ基板ＡＲに設けられた走査線Ｙや信号線Ｘなどの配線部に対向するように配置されている。カラーフィルタ３４は、互いに異なる複数の色、例えば赤色、青色、緑色といった３原色にそれぞれ着色された着色樹脂によって形成されている。赤色着色樹脂、青色着色樹脂、及び緑色着色樹脂は、それぞれ赤色画素、青色画素、及び緑色画素に対応して配置されている。

対向電極ＥＴは、すべての画素ＰＸの画素電極ＥＰに対向するように配置されている。この対向電極ＥＴは、インジウム・ティン・オキサイド（ＩＴＯ）などの光透過性を有する金属膜によって形成される。また、この対向電極ＥＴは、配向膜３６によって覆われている。

このような対向基板ＣＴと上述したようなアレイ基板ＡＲとをそれぞれの配向膜２０及び３６が対向するように配置したとき、両者の間に配置された図示しないスペーサにより、所定のギャップが形成される。この実施の形態では、各画素ＰＸのギャップは約４．８μｍに設定した。

液晶層ＬＱは、これらアレイ基板ＡＲの配向膜２０と対向基板ＣＴの配向膜３６との間に形成されたギャップに封入された液晶分子４０を含む液晶組成物で構成さていれる。この実施の形態では、液晶組成物としてＭＪ０１２１６６（メルク社製、Δｎ＝０．０６１）を適用し、液晶分子４０のツイスト角は０ｄｅｇのホモジニアス配向とした。

第１偏光制御素子ＰＯＬ１及び第２偏光制御素子ＰＯＬ２は、これらを通過した光の偏光状態を制御する。すなわち、第１偏光制御素子ＰＯＬ１は、液晶層ＬＱに楕円偏光の偏光状態を有する光が入射するように自身を通過する光の偏光状態を制御する。したがって、第１偏光制御素子ＰＯＬ１に入射したバックライト光の偏光状態は、第１偏光制御素子ＰＯＬ１を通過した際に例えば反時計回りの楕円偏光に変換される。その後、第１偏光制御素子ＰＯＬ１を通過したバックライト光は、楕円偏光の偏光状態を保って液晶層ＬＱに入射する。

また、第２偏光制御素子ＰＯＬ２は、第１偏光制御素子ＰＯＬ１を通過した楕円偏光とは逆回りの楕円偏光の偏光状態を有する光を通過する。したがって、液晶層ＬＱを通過して第２偏光制御素子ＰＯＬ２に入射した光のうち、例えば時計回りの楕円偏光の偏光状態を有する光が第２偏光制御素子ＰＯＬ１を通過する。

第１偏光制御素子ＰＯＬ１は、少なくとも１つの第１偏光板５１と、少なくとも１つの第１位相差板５２とで構成されている。また、第２偏光制御素子ＰＯＬ２は、少なくとも１つの第２偏光板６１と、少なくとも１つの第２位相差板６２とで構成されている。これら第１位相差板５２及び第２位相差板６２は、所定波長の光に対して常光線と異常光線との間に１／４波長の位相差を与えるいわゆる１／４波長板である。

ここで適用される偏光板は、光の進行方向に直交する平面内において、互いに直交する吸収軸及び透過軸を有している。このような偏光板は、ランダムな方向の振動面を有する光から、透過軸と平行な１方向の振動面を有する光すなわち直線偏光の偏光状態を有する光を取り出すものである。

また、ここで適用される位相差板は、互いに直交する遅相軸及び進相軸を有している。遅相軸は、複屈折を議論する上で、相対的に屈折率の大きな軸に対応し、進相軸は、相対的に屈折率の小さな軸に対応する。遅相軸は、常光線の振動面と一致するものとする。進相軸は、異常光線の振動面と一致するものとする。常光線及び異常光線の屈折率をそれぞれｎｏ及びｎｅとし、それぞれの光線の進行方向に沿った位相差板の厚さをｄとしたとき、位相差板のリタデーション値Δｎ・ｄ（ｎｍ）は、（ｎｅ・ｄ−ｎｏ・ｄ）で定義される（つまり、Δｎ＝ｎｅ−ｎｏ）。

以下の説明では、偏光板５１及び６１については吸収軸５１Ｔ及び６１Ｔによってそれぞれの配置を特定し、また、位相差板５２及び６２については遅相軸５２Ｄ及び６２Ｄによってそれぞれの配置を特定するものとする。

すなわち、図３に示すように、この実施の形態に係る液晶表示装置においては、対向基板側から観察したとき、アレイ基板ＡＲ（または対向基板ＣＴ）の主面に平行な平面内において、便宜上、互いに直交するＸ軸及びＹ軸を定義する。ここで、Ｘ軸は画面の水平方向に対応し、Ｙ軸は画面の垂直方向に対応するものとする。また、Ｘ軸の正（＋）の方向（０°方位）が画面の右側に対応し、Ｘ軸の負（−）の方向（１８０°方位）が画面の左側に対応するものとする。さらに、Ｙ軸の正（＋）の方向（９０°方位）が画面の上側に対応し、Ｙ軸の負（−）の方向（２７０°方位）が画面の下側に対応するものとする。

このとき、第２偏光板６１は、その吸収軸６１ＴとＸ軸との間に成す角度Ａ（ｄｅｇ）で配置される。第２位相差板６２は、その遅相軸６２ＤとＸ軸との間に成す角度Ｂ（ｄｅｇ）で配置される。第１偏光板５１は、その吸収軸５１ＴとＸ軸との間に成す角度Ｃ（ｄｅｇ）で配置される。第１位相差板５２は、その遅相軸５２ＤとＸ軸との間に成す角度Ｄ（ｄｅｇ）で配置される。

ここでは、特に、各偏光制御素子を構成する偏光板の吸収軸と位相差板の遅相軸との成す鋭角の角度は、２５度以上７０度以下の範囲に設定されている。このような最適化により、カラー表示に利用されるすべての波長範囲例えば４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲の光に対して、所定範囲の楕円率の偏光状態を形成することができ、ほぼ均一な楕円率を有する楕円偏光を利用することができる。これにより、位相差板におけるリタデーション値の波長依存性による光学特性の劣化も防止することが可能となる。

また、液晶層ＬＱを構成するホモジニアス配向した液晶分子４０のダイレクタ（液晶分子の長軸方向）４０Ｄは、Ｘ−Ｙ平面内において、所定方位、すなわち画面の垂直方向に相当するＹ軸を基準方位としたとき、基準方位とは異なる方位に設定される。なお、このＸ−Ｙ平面内において、液晶分子４０のダイレクタを示す図３中の矢印４０Ｄの正（＋）の方向が主視角方向に対応するものとし、矢印４０Ｄの負（−）の方向が反主視角方向に対応するものとする。

液晶分子４０の配向は、アレイ基板ＡＲの配向膜２０及び対向基板ＣＴの配向膜３６のそれぞれのラビング方向によって制御可能である。すなわち、配向膜２０のラビング方向を矢印４０Ｄの正の方向に設定し、配向膜３６のラビング方向を矢印４０Ｄの負の方向に設定する。つまり、配向膜２０及び３６のラビング方向を平行且つ互いに逆向きに設定することにより、ダイレクタ４０Ｄの方位にホモジニアス配向した液晶分子４０からなる液晶層ＬＱを形成することが可能となる。

次に、表示モードがノーマリーホワイトモードの透過型液晶表示装置による画像表示動作について、図２を参照してより詳細に説明する。

液晶層ＬＱを通過する光は、電圧無印加時において、以下のように動作する。すなわち、バックライトユニットＢＬから出射されたバックライト光は、第１偏光制御素子ＰＯＬ１を通過することにより例えば反時計回りの楕円偏光の偏光状態を有するように変換され、アレイ基板ＡＲを介して液晶層ＬＱに入射する。この楕円偏光は、液晶層ＬＱを通過する際にπの位相差が与えられる。つまり、液晶層ＬＱを透過した透過光は、時計回りの楕円偏光の偏光状態を有するように変換され、対向基板ＣＴを通過する。この楕円偏光は、第２偏光制御素子ＰＯＬ２を通過可能であるため、カラーフィルタ３４の色に即した単色の明表示に寄与する。

一方、液晶層ＬＱを通過する光は、電圧印加時において、以下のように動作する。すなわち、電圧無印加時と同様に、アレイ基板ＡＲ側から入射したバックライト光は、第１偏光制御素子ＰＯＬ１を通過することにより例えば反時計回りの楕円偏光の偏光状態を有するように変換され、アレイ基板ＡＲを介して液晶層ＬＱに入射する。この楕円偏光は、例えば電圧印加時の液晶層の残留リタデーションが０の場合には、液晶層ＬＱを通過する際に位相差の影響を受けないので、そのままの偏光状態を保って対向基板ＣＴを通過する。この楕円偏光は、第２偏光制御素子ＰＯＬ２を通過しない。このため、暗表示、すなわち黒表示となる。

このように、透過型液晶表示装置では、バックライト光を選択的に透過することによって画像を表示する。

なお、液晶層ＬＱに電圧を印加した場合には、基板界面の液晶分子は、配向規制力（アンカリング）により完全に立ちきらないため、電圧印加時の液晶層ＬＱの残留リタデーションは０ではなく、数〜数十ｎｍ程度の残留リタデーションを有するのが通常である。その際は、第１偏光制御素子ＰＯＬ１を構成する第１位相差板５２のリタデーション値を液晶層ＬＱの残留リタデーションの分だけ小さくすることにより、液晶層ＬＱを通過する光の偏光状態は液晶層ＬＱの残留リタデーションが０の時と同一となり、上述と同様なメカニズムで黒表示を行うことができる。

次に、液晶層ＬＱを構成するホモジニアス配向した液晶分子４０の最適なダイレクタ（液晶分子の長軸方向）４０Ｄについて検討する。

（比較例）
まず、比較例について説明する。この比較例に係る液晶表示装置では、図４に示すように、液晶表示パネルＬＰＮのアレイ基板側に設けられた第１偏光制御素子ＰＯＬ１は、１つの第１偏光板５１と、１つの第１位相差板（一軸性の１／４波長板）５２とで構成されている。また、液晶表示パネルＬＰＮの対向基板側に設けられた第２偏光制御素子ＰＯＬ２は、１つの第２偏光板６１と、１つの第２位相差板（一軸性の１／４波長板）６２とで構成されている。なお、液晶表示パネルＬＰＮにおいて、液晶層を構成する液晶組成物及びギャップについては、先に説明した通りである。

この比較例では、液晶分子４０のダイレクタ４０Ｄは、Ｘ−Ｙ平面内において、Ｙ軸（基準方位）に設定されている。このとき、ダイレクタ４０Ｄは、Ｙ軸の負の方位すなわちＸ軸との成す角度が２７０°の方位に設定されている。つまり、画面下側に相当する２７０°の方位を主視角方位に設定している。

また、第１偏光制御素子ＰＯＬ１及び第２偏光制御素子ＰＯＬ２においては、それらの偏光板の吸収軸と位相差板の遅相軸との成す鋭角の角度を２５度以上７０度以下の範囲に設定している。すなわち、図５に示すように、成す角度Ａは０°であり、成す角度Ｂは３６°である。このため、第２偏光板６１の吸収軸６１Ｔと第２位相差板６２の遅相軸６２Ｄとの成す鋭角の角度θ２は３６°である。また、成す角度Ｃは９８°であり、成す角度Ｄは１５０．５°である。このため、第１偏光板５１の吸収軸５１Ｔと第１位相差板５２の遅相軸５２Ｄとの成す鋭角の角度θ１は５２．５°である。なお、第１位相差板５２のリタデーション値（Ｒ値）は波長５５０ｎｍの光に対して１５０ｎｍである。また、第２位相差板６２のリタデーション値（Ｒ値）は波長５５０ｎｍの光に対して１４５ｎｍである。

このように構成された比較例に係る液晶表示装置の光学特性を測定した。

図６に示すように、比較例は、波長５５０ｎｍの光に対して楕円率０．７５が得られ、かつ、４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲でほぼ同等の楕円率が得られるように構成している。

この比較例の光学特性は、以下のようになる。すなわち、比較例では、透過率が４．４％であった。なお、ここで測定した透過率は、液晶表示装置のアレイ基板側から入射した白色のバックライト光（入射光）の強度に対して、液晶表示パネルを透過した透過光の強度の割合に相当し、トプコン社製の透過率計ＢＭ−５Ａを用いて測定した。入射光は、アレイ基板に対してほぼ垂直な方向（アレイ基板の法線方向）から入射した拡散光である。透過光の強度は、対向基板の法線から８°傾斜した位置に配置した検出器によって測定した。

また、比較例では、コントラストが１１３であった。なお、ここで測定したコントラストは、暗室内においてトプコン社製の測定機器ＢＭ−５Ａを用いて測定した。

さらに、比較例では、表示された画像の白色の色味が色度座標上において（０．３１０、０．３３０）であった。なお、色味は、上述した各測定機器による測定と並行して色度座標値として測定した。

図７は、比較例に係る液晶表示装置のコントラストの視野角依存性をシミュレーションした特性図である。このような特性図では、中心が液晶表示パネルの法線方向に相当し、０°（ｄｅｇ）方位がＸ軸上の正（＋）の方向（画面右側）、１８０（ｄｅｇ）方位がＸ軸上の負（−）の方向（画面左側）、９０（ｄｅｇ）方位がＹ軸上の正（＋）の方向（画面上側）、２７０（ｄｅｇ）方位がＹ軸上の負（−）の方向（画面下側）にそれぞれ相当する。また、法線方向を中心とした同心円は、法線に対する倒れ角度であり、それぞれ２０°、４０°、６０°、８０°に相当する。この特性図は、各方向について等しいコントラストが得られる角度を結ぶことで得られたものである。

図７に示すように、比較例においては画面の上下方向での視野角依存性が改善され、特に画面下側（主視角方向）のコントラスト低下が改善できていることが確認できた。これは、先に説明したように、第１偏光制御素子ＰＯＬ１及び第２偏光制御素子ＰＯＬ２を最適化したことにより、液晶表示パネルに入射する楕円偏光の楕円率を向上し、液晶層のリタデーション値を補償できたことによるものである。

図８は、比較例に係る液晶表示装置の階調反転の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。このような特性図では、中心が液晶表示パネルの法線方向に相当し、０°（ｄｅｇ）方位がＸ軸上の正（＋）の方向（画面右側）、１８０（ｄｅｇ）方位がＸ軸上の負（−）の方向（画面左側）、９０（ｄｅｇ）方位がＹ軸上の正（＋）の方向（画面上側）、２７０（ｄｅｇ）方位がＹ軸上の負（−）の方向（画面下側）にそれぞれ相当する。また、法線方向を中心とした同心円は、法線に対する倒れ角度であり、それぞれ２０°、４０°、６０°、８０°に相当する。この特性図では、黒色に近い階調の輝度（あるいは透過率）が白色に近い階調の輝度（あるいは透過率）よりも高くなる（階調反転）領域を図示している。

図８に示すように、比較例においては画面の上下方向及び左右方向で階調反転が生じており、特に画面下側（主視角方向）での階調反転は、携帯機器への利用を考慮した際、表示品位を著しく低下させる要因となり得る。

なお、図９及び図１０は、それぞれ画面の左右方向及び上下方向での透過率の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。ここで、横軸は、法線に対する倒れ角度であり、画面の０°（ｄｅｇ）方位（画面右側）への倒れ角度を正（＋）とし、画面の１８０（ｄｅｇ）方位（画面左側）への倒れ角度を負（−）とする。縦軸は、液晶表示パネルの透過率に対応する。また、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、及び、Ｖ５は、それぞれ画素電極に印加される電圧レベルであり、ここでは、Ｖ１は白（すなわち透過率１００％）に対応した階調画像を表示するときの印加電圧であり、Ｖ２は透過率８０％に対応した階調画像を表示するときの印加電圧であり、Ｖ３は透過率５０％に対応した階調画像を表示するときの印加電圧であり、Ｖ４は透過率２０％に対応した階調画像を表示するときの印加電圧であり、Ｖ５は黒（すなわち透過率０％）に対応した階調画像を表示するときの印加電圧である。

（第１実施形態）
次に、第１実施形態について説明する。この第１実施形態に係る液晶表示装置では、比較例と同様に、図４に示すように、液晶表示パネルＬＰＮのアレイ基板側に設けられた第１偏光制御素子ＰＯＬ１は、１つの第１偏光板５１と、１つの第１位相差板（一軸性の１／４波長板）５２とで構成されている。また、液晶表示パネルＬＰＮの対向基板側に設けられた第２偏光制御素子ＰＯＬ２は、１つの第２偏光板６１と、１つの第２位相差板（一軸性の１／４波長板）６２とで構成されている。なお、液晶表示パネルＬＰＮにおいて、液晶層を構成する液晶組成物及びギャップについては、比較例と同一である。

この第１実施形態では、液晶分子４０のダイレクタ４０Ｄは、Ｘ−Ｙ平面内において、Ｙ軸（基準方位）とは異なる方位に設定されており、画面内において基準方位に対して時計回りを正とし、基準方位に対して反時計回りを負としたとき、基準方位に対して＋４５°の方位に設定されている。つまり、ダイレクタ（主視角方向）４０Ｄは、Ｘ軸との成す角度が＋２２５°の方位に設定されている。

また、第１偏光制御素子ＰＯＬ１及び第２偏光制御素子ＰＯＬ２においては、それらの偏光板の吸収軸と位相差板の遅相軸との成す鋭角の角度を２５度以上７０度以下の範囲に設定している。すなわち、図１１に示すように、成す角度Ａは−４５°であり、成す角度Ｂは−９°である。このため、第２偏光板６１の吸収軸６１Ｔと第２位相差板６２の遅相軸６２Ｄとの成す鋭角の角度θ２は３６°である。また、成す角度Ｃは５３°であり、成す角度Ｄは１０５．５°である。このため、第１偏光板５１の吸収軸５１Ｔと第１位相差板５２の遅相軸５２Ｄとの成す鋭角の角度θ１は５２．５°である。なお、第１位相差板５２のリタデーション値（Ｒ値）は波長５５０ｎｍの光に対して１５０ｎｍである。また、第２位相差板６２のリタデーション値（Ｒ値）は波長５５０ｎｍの光に対して１４５ｎｍである。

このように構成された第１実施形態に係る液晶表示装置の光学特性を測定したところ、比較例と同様に、透過率が４．４％であり、コントラストが１１３であり、表示された画像の白色の色味が色度座標上において（０．３１０、０．３３０）であった。なお、この第１実施形態においても、波長５５０ｎｍの光に対して楕円率０．７５が得られ、かつ、４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲でほぼ同等の楕円率が得られるように構成している。

図１２は、第１実施形態に係る液晶表示装置のコントラストの視野角依存性をシミュレーションした特性図である。図１２に示すように、第１実施形態においては画面の上下方向での視野角依存性が改善されていることが確認できた。これは、先に説明したように、第１偏光制御素子ＰＯＬ１及び第２偏光制御素子ＰＯＬ２を最適化したことにより、液晶表示パネルに入射する楕円偏光の楕円率を向上し、液晶層のリタデーション値を補償できたことによるものである。

図１３は、第１実施形態に係る液晶表示装置の階調反転の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。図１３に示すように、第１実施形態においては画面の上下方向及び左右方向での階調反転が確認されなかった。

なお、図１４及び図１５は、それぞれ画面の左右方向及び上下方向での透過率の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。図１４に示すように、第１実施形態においては、透過率分布が左右非対称になる傾向にあるが、広視野角範囲におわたって階調反転を抑制できていることが確認できた。また、図１５に示すように、第１実施形態においては、特に画面の下側の視野角範囲において、階調反転を抑制できていることが確認できた。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。この第２実施形態に係る液晶表示装置では、液晶表示パネルＬＰＮ、第１偏光制御素子ＰＯＬ１及び第２偏光制御素子ＰＯＬ２は、第１実施形態と同様に構成されている。なお、この第２実施形態では、液晶分子４０のダイレクタ４０Ｄは、Ｘ−Ｙ平面内において、基準方位に対して−４５°の方位に設定されている。つまり、ダイレクタ（主視角方向）４０Ｄは、Ｘ軸との成す角度が＋３１５°の方位に設定されている。

このように構成された第２実施形態に係る液晶表示装置の光学特性を測定したところ、第１実施形態と同様の結果が得られた。

図１６は、第２実施形態に係る液晶表示装置のコントラストの視野角依存性をシミュレーションした特性図である。図１６に示すように、第２実施形態においては画面の上下方向での視野角依存性が改善されていることが確認できた。

図１７は、第２実施形態に係る液晶表示装置の階調反転の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。図１７に示すように、第２実施形態においては画面の上下方向及び左右方向での階調反転が確認されなかった。

図１８及び図１９は、それぞれ画面の左右方向及び上下方向での透過率の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。図１８に示すように、第２実施形態においては、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４で示した中間調の透過率分布が左右非対称になる傾向にあるものの、Ｖ１で示した白及びＶ５で示した黒の透過率分布は左右対称となり、さらに、広視野角範囲におわたって階調反転を抑制できていることが確認できた。また、黒の透過率分布によれば、左右ともに十分に低い透過率に抑えることができていた。図１９に示すように、第２実施形態においては、特に画面の下側の視野角範囲において、階調反転を抑制できていることが確認できた。また、黒の透過率分布によれば、特に画面の下側において、十分に低い透過率に抑えることができていた。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。この第３実施形態に係る液晶表示装置では、液晶表示パネルＬＰＮ、第１偏光制御素子ＰＯＬ１及び第２偏光制御素子ＰＯＬ２は、第１実施形態と同様に構成されている。なお、この第３実施形態では、液晶分子４０のダイレクタ４０Ｄは、Ｘ−Ｙ平面内において、基準方位に対して−３０°の方位に設定されている。つまり、ダイレクタ（主視角方向）４０Ｄは、Ｘ軸との成す角度が＋３００°の方位に設定されている。

このように構成された第３実施形態に係る液晶表示装置の光学特性を測定したところ、第１実施形態と同様の結果が得られた。

図２０は、第３実施形態に係る液晶表示装置のコントラストの視野角依存性をシミュレーションした特性図である。図２０に示すように、第３実施形態においては画面の上下方向での視野角依存性が改善されていることが確認できた。

図２１は、第３実施形態に係る液晶表示装置の階調反転の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。図２１に示すように、第３実施形態においては画面の上下方向及び左右方向での階調反転が確認されなかった。

図２２及び図２３は、それぞれ画面の左右方向及び上下方向での透過率の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。図２２に示すように、第３実施形態においては、Ｖ１乃至Ｖ５で示したいずれの階調の透過率分布もほぼ左右対称となり、さらに、広視野角範囲におわたって階調反転を抑制できていることが確認できた。また、黒の透過率分布によれば、左右ともに十分に低い透過率に抑えることができていた。図２３に示すように、第３実施形態においては、特に画面の下側の視野角範囲において、階調反転を抑制できていることが確認できた。また、黒の透過率分布によれば、特に画面の下側において、十分に低い透過率に抑えることができていた。

以上説明したように、画面の垂直方向を基準方位としたとき、液晶分子４０のダイレクタ４０Ｄを基準方位（画面の下側に相当する２７０°方位）に設定した比較例によれば、ダイレクタ４０Ｄの方位で階調反転が発生する。この２７０°方位は、液晶表示装置の携帯機器への利用を考慮した際に視野角特性の向上が強く望まれている方位であり、階調反転を抑制する必要がある。

そこで、ダイレクタ４０Ｄを基準方位とは異なる方位に設定した第１乃至第３実施形態によれば、２７０°方位での階調反転を抑制することができる。より具体的には、第１実施形態及び第２実施形態に基づくと、ダイレクタ４０Ｄは、基準方位に対して＋４５°±２５°または−４５°±１０°の範囲内に設定されることが望ましい。ここで、本実施形態の構成の場合には、基本的にコントラスト分布(透過率分布)が左右非対称になる傾向があるので、基準方位に対して正（＋）方向の回転と負（−）方向の回転とでは、その許容範囲が非対称化している。

また、図１４及び図１８を参照して明らかなように、ダイレクタ４０Ｄを基準方位に対して＋４５°の方位に設定した場合に左右の透過率分布が非対称化するのに対して、ダイレクタ４０Ｄを基準方位に対して−４５°の方位に設定した場合に左右の透過率分布が対称となる。すなわち、画面の上下方向及び左右方向での階調反転を抑制しつつ、左右方向での透過率分布を対称化する要求に対しては、ダイレクタ４０Ｄは、基準方位に対して−４５°±１０°の範囲内に設定されることが望ましく、さらに、階調反転の抑制及び透過率分布の左右対称化を両立する最適な構成としては、基準方位に対して−３０°±１５°の範囲内に設定されることが望ましい。

さらに、上述した第１乃至第３実施形態によれば、アレイ基板側及び対向基板側にそれぞれ設けられた偏光制御素子を１枚の偏光板と１枚の位相差板とで構成したことにより、位相差板の数を減らすことができ、各偏光制御素子の厚さを薄くすることができるとともに装置全体の薄型化が可能であり、さらに、低コスト化が可能である。

またさらに、位相差板の数を減らした偏光制御素子を採用した場合であっても、液晶分子のダイレクタに対して偏光板の吸収軸及び位相差板の遅相軸を最適な角度に設定したことにより、良好な光学特性を実現することが可能である。特に、画面の上下方向での視野角を拡大することができ、コントラストの視角依存性を改善することができる。

なお、この発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、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化できる。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か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。

上述した比較例、及び、第１乃至第３実施形態では、位相差板５２及び６２として一軸性の１／４波長板であるゼオノア（住友化学社製ａｎｄ日東電工社製）を採用したが、同様の一軸性の１／４波長板であるエスシーナ（積水化学社製）やアートン（住友化学社製ａｎｄ日東電工社製）でもよく、特に限定されない。また、ＰＣ（日東電工社製）などの二軸性の位相差板であれば主視角方向の輝度低下をより改善することができ、その際、Ｎｚ係数が０乃至０．７である二軸性の位相差板を採用することが好ましい。なお、Ｎｚ係数とは、位相差板の面内での互いに直交する方位の屈折率をそれぞれｎｘ及びｎｙとし、位相差板の法線方位の屈折率をｎｚとしたときに、Ｎｚ＝（ｎｘ−ｎｚ）／（ｎｘ−ｎｙ）で定義される値である。

また、第１偏光制御素子ＰＯＬ１及び第２偏光制御素子ＰＯＬ２のそれぞれは、高分子フィルム製の位相差板を偏光板に貼り合わせて構成しても良いし、偏光板上に液晶フィルムを配置して構成しても良い。液晶フィルムを備えた偏光制御素子は、偏光板上に液晶組成物、例えばネマティック液晶を含む液晶組成物をコーティングした後に硬化処理することによって形成可能である。このとき、液晶フィルムの厚さは、所望のリタデーション値を得られるように設定される。このような液晶フィルムを備えた偏光制御素子を適用する場合、液晶フィルムに含まれる液晶分子のダイレクタを上述した遅相軸方向に一致させれば良い。

さらに、スイッチング素子ＷがＮチャネル薄膜トランジスタで構成された例について説明したが、同様の各種駆動信号を発生できる構成であれば、他の構成であっても良い。

図１は、この発明の一実施の形態に係る液晶表示装置の構成を概略的に示す図である。 図２は、図１に示した液晶表示装置の断面構造を概略的に示す図である。 図３は、図２に示した液晶表示装置において液晶分子のダイレクタ、第１偏光板及び第２偏光板の吸収軸、及び、第１位相差板及び第２位相差板の遅相軸の配置関係を説明するための図である。 図４は、比較例及び第１乃至第３実施形態に係る液晶表示装置の構成を概略的に示す図である。 図５は、比較例で適用される第１偏光制御素子及び第２偏光制御素子での吸収軸及び遅相軸のＸ軸に対する成す角度と、第１位相差板及び第２位相差板のリタデーション値との一例を示す図である。 図６は、比較例及び第１乃至第３実施形態における光学特性の測定結果を示す図である。 図７は、比較例に係る液晶表示装置におけるコントラストの視野角依存性をシミュレーションした特性図である。 図８は、比較例に係る液晶表示装置における階調反転の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。 図９は、比較例に係る液晶表示装置の画面の左右方向での透過率の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。 図１０は、比較例に係る液晶表示装置の画面の上下方向での透過率の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。 図１１は、第１乃至第３実施形態で適用される第１偏光制御素子及び第２偏光制御素子での吸収軸及び遅相軸のＸ軸に対する成す角度と、第１位相差板及び第２位相差板のリタデーション値との一例を示す図である。 図１２は、第１実施形態に係る液晶表示装置におけるコントラストの視野角依存性をシミュレーションした特性図である。 図１３は、第１実施形態に係る液晶表示装置における階調反転の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。 図１４は、第１実施形態に係る液晶表示装置の画面の左右方向での透過率の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。 図１５は、第１実施形態に係る液晶表示装置の画面の上下方向での透過率の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。 図１６は、第２実施形態に係る液晶表示装置におけるコントラストの視野角依存性をシミュレーションした特性図である。 図１７は、第２実施形態に係る液晶表示装置における階調反転の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。 図１８は、第２実施形態に係る液晶表示装置の画面の左右方向での透過率の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。 図１９は、第２実施形態に係る液晶表示装置の画面の上下方向での透過率の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。 図２０は、第３実施形態に係る液晶表示装置におけるコントラストの視野角依存性をシミュレーションした特性図である。 図２１は、第３実施形態に係る液晶表示装置における階調反転の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。 図２２は、第３実施形態に係る液晶表示装置の画面の左右方向での透過率の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。 図２３は、第３実施形態に係る液晶表示装置の画面の上下方向での透過率の視野角依存性をシミュレーションした特性図である。

符号の説明

ＬＰＮ…液晶表示パネル、ＡＲ…アレイ基板、ＣＴ…対向基板、ＬＱ…液晶層、ＰＯＬ１…第１偏光制御素子、ＰＯＬ２…第２偏光制御素子、５１…第１偏光板、５２…第１位相差板、６１…第２偏光板、６２…第２位相差板、ＢＬ…バックライトユニット、ＰＸ…画素

Claims (3)

1. マトリクス状に配置された複数の画素を有する液晶表示装置であって、
   互いに対向して配置された第１基板と第２基板との間に液晶層を保持し、各画素にカラーフィルタが配置された透過型の液晶表示パネルと、
   前記第１基板の前記液晶層を保持する面とは反対の外面に設けられ、楕円偏光の偏光状態を有する光を通過する第１偏光制御素子と、
   前記第２基板の前記液晶層を保持する面とは反対の外面に設けられ、前記第１偏光制御素子を通過した楕円偏光とは逆回りの楕円偏光の偏光状態を有する光を通過する第２偏光制御素子と、を備え、
   前記第１偏光制御素子及び前記第２偏光制御素子のそれぞれは、１枚の偏光板と、１枚の位相差板とで構成され、前記位相差板は１／４波長板であり、
   前記液晶層は、画面の水平方向に対応するＸ軸と画面の垂直方向に対応するＹ軸とで規定されるＸ−Ｙ平面内において、Ｘ軸とのなす角度が２２５°の方位、あるいは、Ｘ軸とのなす角度が３００°乃至３１５°の方位にホモジニアス配向した液晶分子を含み、
   カラー表示に利用されるすべての波長範囲の光に対して略均一な楕円率を有する楕円偏光を利用することを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記第１偏光制御素子側から前記液晶表示パネルを照明するバックライトユニットを備えたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 表示モードがノーマリーホワイト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。

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