JPH0961624A - 光学異方素子およびそれを用いた液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 正面コントラストを低下させずに、表示コン
トラスト、階調表示及び表示色の視角特性の改善された
光学異方素子およびそれを用いた液晶表示素子を提供す
る。 【解決手段】 光学的にほぼ負の一軸性を示す薄膜が連
続的に積層された積層体からなり、該薄膜の光学軸が法
線方向から傾斜しており、かつ、該薄膜の傾斜角が厚み
方向で順次大きくなるかもしくは小さくなるかして変化
しており、該薄膜の光学軸が厚み方向でねじれた構造を
有する光学異方素子。および、２枚の電極基板間に液晶
を挟持してなる液晶セルと、その両側に配置された２枚
の偏光素子からなる液晶表示素子において、２枚の偏光
素子の間に上記光学異方素子を少なくとも１枚用いた液
晶表示素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表示コントラス
ト、階調特性及び表示色の視角特性の改良された光学異
方素子および液晶表示素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】日本語ワードプロセッサやディスクトッ
プパソコン等のＯＡ機器の表示装置の主流であるＣＲＴ
は、薄型軽量、低消費電力という大きな利点をもった液
晶表示素子に変換されてきている。現在普及している液
晶表示素子（以下ＬＣＤと称す）の多くは、ねじれネマ
ティック液晶を用いている。このような液晶を用いた表
示方式としては、複屈折モードと旋光モードとの２つの
方式に大別できる。

【０００３】複屈折モードを用いたＬＣＤは、液晶分子
配列のねじれ角９０°以上ねじれたもので、急崚な電気
光学特性をもつ為、能動素子（薄膜トランジスタやダイ
オード）が無くても単純なマトリクス状の電極構造でも
時分割駆動により大容量の表示が得られる。しかし、応
答速度が遅く（数百ミリ秒）、階調表示が困難という欠
点を持ち、能動素子を用いた液晶表示素子（ＴＦＴ−Ｌ
ＣＤやＭＩＭ−ＬＣＤなど）の表示性能を越えるまでに
はいたらない。

【０００４】ＴＦＴ−ＬＣＤやＭＩＭ−ＬＣＤには、液
晶分子の配列状態がほぼ９０°ねじれた旋光モードの表
示方式（ＴＮ型液晶表示素子）が用いられている。この
表示方式は、応答速度が速く（数＋ミリ秒）、容易に白
黒表示が得られ、高い表示コントラストを示すことから
他の方式のＬＣＤと比較して最も有力な方式である。し
かし、ねじれネマティック液晶を用いている為に、表示
方式の原理上、見る方向によって表示色や表示コントラ
ストが変化するといった視角特性上の問題があり、ＣＲ
Ｔの表示性能を越えるまでにはいたらない。

【０００５】ＳＩＤ’９２ Ｄｉｇｅｓｔ ｐ．７９８
などに見られるように、画素を分割し、それぞれ電圧印
加時のチルト方向を逆向きにして、視角特性を補償する
方法が提案されている。この方法によると、上下方向の
階調反転に関する視角特性は改善されるが、コントラス
トの視角特性はほとんど改善されない。

【０００６】特開平４−２２９８２８号、特開平４−２
５８９２３号公報などに見られるように、一対の偏光板
とＴＮ液晶セルの間に、位相差フィルムを配置すること
によって視野角を拡大しようとする方法が提案されてい
る。

【０００７】上記特許公報で提案された位相差フィルム
は、液晶セルの表面に対して、垂直な方向に位相差がほ
ぼゼロのものであり、真正面からはなんら光学的な作用
を及ぼさず、傾けたときに位相差が発現し、液晶セルで
発現する位相差を補償しようというものである。しか
し、これらの方法によってもＬＣＤの視野角はまだ不十
分であり、更なる改良が望まれている。

【０００８】また、特開平４−３６６８０８号、特開平
４−３６６８０９号公報では、光学軸が傾いたカイラル
ネマチック液晶を含む液晶セルを位相差フィルムとして
用いて視野角を改良する方法を提案しているが、２層液
晶方式となり、コストが高く、軽量化が困難であるとい
う問題点があった。

【０００９】更に、特開平６−７５１１６号、ＥＰ０５
７６３０４Ａ１、および特開平６−２１４１１６号公報
において、光学的に負の一軸性を示し、その光軸が傾斜
している位相差板を用いることにより、ＴＮ型ＬＣＤの
視角特性を改良する方法が提案されている。これらの方
法によれば視野角は従来のものと比べ、改善はされる
が、それでもＣＲＴ代替を検討するほどの広い視野角は
実現困難であった。

【００１０】特開平７−１３０２１号、特開平７−１０
４２８４号では、負の一軸性で光学軸がねじれた光学異
方体によって視野角を改良する方法が提案されている。

【００１１】しかし、この方法では、白黒表示における
コントラストから見た視角改良効果は著しかったが、視
角による着色については、より高度な補償が必要となっ
ている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ＴＮ型液晶
セルにおいて、正面コントラストを低下させずに、表示
コントラスト、階調特性及び表示色の視角特性の改善さ
れた光学異方素子および液晶表示素子を提供するもので
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題は、以下の手段
により達成された。 （１） 光学的にほぼ負の一軸性を示す薄膜が連続的に
積層された積層体からなり、該薄膜の光学軸が法線方向
から傾斜しており、かつ、該薄膜の傾斜角が厚み方向で
大きくなるかもしくは小さくなるかして変化しており、
該薄膜の光学軸が厚み方向でねじれていることを特徴と
する光学異方素子。 （２） 該光学異方素子の光学軸のねじれ角が３６０°
以下であることを特徴とする（１）記載の光学異方素
子。 （３） 該光学異方素子の６３２．８ｎｍの光における
厚み方向レターデーションが５０ｎｍ以上、１０００ｎ
ｍ以下であることを特徴とする（２）記載の光学異方素
子。 （４） 該光学異方素子の薄膜の光学軸が法線方向から
の傾斜角が５°〜９０°であることを特徴とする（３）
記載の光学異方素子。 （５） ２枚の電極基板間に液晶を挟持してなる液晶セ
ルと、その両側に配置された２枚の偏光素子からなる液
晶表示素子において、２枚の偏光素子の間に（１）記載
の光学異方素子を少なくとも１枚用いたことを特徴とす
る液晶表示素子。 （６） 該液晶セルがほぼ９０゜のねじれ角を有するＴ
Ｎ型液晶を液晶セルに用いたことを特徴とする（５）記
載の液晶表示素子。 （７） 該光学異方素子のねじれ角の合計が１８０°以
下であることを特徴とする（６）記載の液晶表示素子。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の液晶表示装置において、
より高度に視野角が改良された事については以下のよう
に説明できる。例えば、本発明の液晶表示素子におい
て、偏光子と検光子の透過軸がほぼ直交しているノーマ
リーホワイトのモードでは、黒表示部は液晶に電圧が印
加されている状態であり、視角を大きくする事に伴っ
て、この黒表示部からの光の透過率が著しく増大し、コ
ントラストの急激な低下を招いている。この時ＴＮ型液
晶セル内部の液晶分子の配列は、近似的に光学軸がセル
の法線方向から傾いた状態から、法線方向を向いた状態
へ連続的に変化したものと見なす事が出来る。

【００１５】液晶セル内部の液晶分子を正の一軸性光学
異方体と見なせるのであれば、それによる複屈折を補償
するためには、同じように、負の一軸性の分子が、セル
の法線方向から傾いた状態から、法線方向を向いた状態
へ連続的に変化したものを用いる事が必要である。

【００１６】しかし、ＴＮ型液晶セルの光学異方性を正
の一軸性とみなすのはあくまでも近似であり、実際には
液晶セルは単純な正の光学異方体ではなく、ねじれ配向
しており、チルト角も変化している。したがって、光軸
が傾斜した負の一軸性光学異方体で補償することはおの
ずと限界がある。本発明者は、鋭意検討した結果、更に
大幅な視角特性改善をし、ＣＲＴ代替の可能性を切り開
くためには、負の一軸性の薄膜を、黒表示での液晶セル
中の液晶の配向とちょうど対応するように積層した光学
異方体を用いることによって実現できることを突き止め
た。本発明により、コントラストのみならず階調反転、
着色について視角特性の大幅な改善を実現できた。

【００１７】本発明における光学異方素子は光学軸の方
向が異なる薄膜の積層体からなる。ここでいう積層体と
は、光学軸の方向が同一である薄膜を２枚以上積層した
ものである。ここでは、ねじれ構造を有したコレステリ
ック液晶やカイラルネマティック液晶などのように連続
的に光学軸の方向が変化した、無限枚の薄膜を積層した
ものと見なせるものも積層体に含まれる。

【００１８】本発明における光学異方素子の光学軸は法
線方向から５°〜９０°傾いていることが好ましい。ま
た、該薄膜の光学軸の傾斜角は厚み方向に大きくなるか
もしくは小さくなるかして変化していることが好まし
い。

【００１９】本発明における光学異方素子の光学軸はね
じれていることが好ましい。該光学異方体の光学軸のね
じれ角は３６０°以下であることが好ましい。更には、
１８０゜以下であることが好ましい。また、ＴＮ型液晶
表示素子においては、該光学異方体の光学軸のねじれ角
の合計が、１８０°以下であることが好ましい。更に
は、該光学異方体の光学軸のねじれ角の合計が、液晶セ
ルにおける液晶のねじれ角とほぼ等しいか、または小さ
いことが好ましい。例えば、ねじれ角が２４０°である
ＳＴＮ型液晶セルにおいては、該光学異方体の光学軸の
ねじれ角の合計が２４０°以下、ねじれ角が９０°であ
るＴＮ型液晶セルにおいては、該光学異方体の光学軸の
ねじれ角の合計が９０°以下であることが好ましい。

【００２０】本発明における負の一軸性とは、光学異方
体の薄層の３軸方向屈折率を、その値が小さい順にｎ
１、ｎ２、ｎ３としたとき、ｎ１＜ｎ２＝ｎ３の関係を
有するものである。従って光学軸方向の屈折率が最も小
さいという特性を有するものである。ただし、ｎ２とｎ
３の値は厳密に等しい必要はなく、ほぼ等しければ十分
である。具体的には、 ｜ｎ２−ｎ３｜／｜ｎ２−ｎ１｜≦０．２ であれば実用上問題はない。

【００２１】本発明における光学異方体の厚み方向レタ
ーデーションとは、光学特性が均一だと見なせる薄層の
厚み方向レターデーションを合計したものである。薄層
の厚み方向レターデーションとは、薄層の厚みをｄとし
たときに、 ｛（ｎ２＋ｎ３）／２−ｎ１｝×ｄ で表される。本発明においては、光学異方体の厚み方向
レターデーションは、６３２．８ｎｍの光において、５
０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下であることが好ましい。
ＴＮ型液晶表示素子においては、該光学異方体の厚み方
向レターデーションの合計が、１００ｎｍ以上、６００
ｎｍ以下であることが好ましく、更に１００ｎｍ以上、
３００ｎｍ以下であることが好ましい。

【００２２】本発明の光学的にほぼ負の一軸性を示す薄
膜に使用される素材は特に制限はないが、各種高分子素
材、液晶、または、それらのブレンド物などが好適に利
用される。これらの中では、液晶、特に、ディスコティ
ック液晶を用いることが好ましい。ここでいうディスコ
ティック液晶は、熱、光等で反応する基を有しており、
結果的に反応により重合または架橋し、高分子量化し液
晶性を失ったものも含まれるものとする。また、液晶性
高分子を用いても構わない。

【００２３】本発明の光学的にほぼ負の一軸性を示す薄
膜の積層体は、単独で用いられても良いし、支持体に塗
設されて用いられても構わない。支持体として用いられ
る素材に関しては、特に限定はないが、各種高分子素材
から成るフィルムなどが好適に利用される。このような
高分子フィルムは、光透過率が８０％以上であり、正面
での光学特性が等方性に近いことが好ましい。従って、
ゼオネックス（日本ゼオン）、ＡＲＴＯＮ（日本合成ゴ
ム）、フジタック（富士写真フイルム）などの商品名で
売られている固有複屈折率が小さい素材が好ましい。し
かし、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリスルフ
ォン、ポリエーテルスルフォンなどの固有複屈折率が大
きい素材であっても製膜時に分子配向を制御することに
よって光学的に等方性にすることも可能であり、それら
も好適に利用できる。

【００２４】該光学異方素子を２枚の偏光素子の間に１
枚装着した液晶表示素子においては、該光学異方素子の
光学軸のねじれ角が液晶セルのねじれ角とほぼ等しいか
小さく、ねじれ方向が逆であることが好ましい。更に、
該光学異方素子の液晶セルに近い側の薄層の光学軸の方
位角と、該光学異方素子に隣接した液晶セル基板上の液
晶の光学軸の方位角とが、ほぼ同じ方向であることが好
ましい。ここでは、２つの光学軸の方位角がほぼ同じ方
向であるとは、２つの光学軸の方位角同士のなす角が０
゜以上、４５゜以下であることを言う。

【００２５】該光学異方素子を２枚、液晶セルを挟むよ
うに装着した場合では、該光学異方素子の光学軸のねじ
れ角の合計が液晶セルのねじれ角とほぼ等しいか小さ
く、ねじれ方向が逆であることが好ましい。更に、２枚
の光学異方素子ともに、該光学異方素子の液晶セルに近
い側の薄層の光学軸の方位角と、該光学異方素子に隣接
した液晶セル基板上の液晶の光学軸の方位角とが、ほぼ
同じ方向であることが好ましい。

【００２６】

【実施例】以下実施例によって詳細に説明する。 実施例１ ゼラチン薄膜（０．１μｍ）を塗設したトリアセチルセ
ルロースの１００μｍ厚フィルム（富士写真フイルム
（株）製）上に長鎖アルキル変性ポバール（クラレ
（株）製ＭＰ−２０３）を塗布し、温風にて乾燥させた
後、ラビング処理を行い配向膜を形成した。面内の主屈
折率をｎx、ｎy、厚さ方向の屈折率をｎz、厚さをｄと
した時、トリアセチルセルロースフィルムは、｜ｎx−
ｎy｜×ｄ＝５ｎｍ、｛（ｎx＋ｎy）／２−ｎz｝×ｄ＝
４０ｎｍであり、ほぼ負の一軸性であり、光軸がほぼフ
イルム法線方向にあった。

【００２７】この配向膜上に下記ディスコティック液晶
（ＴＥ−１またはＴＥ−２）１．６ｇ、フェノールＥＯ
変成（ｎ＝１）アクリレート（Ｍ−１０１ 東亜合成）
０．４ｇ、イルガキュアー９０７ ０．０１ｇ、セル
ロースアセテートブチレート（ＣＡＢ５３１−１ イー
ストマンケミカル 添加量を変化させる）を４０ｇのメ
チルエチルケトンに溶解した塗布液を表１のように調液
する。

【００２８】

【表１】

【００２９】まず、Ａ−１液を＃３のワイヤーバーで塗
布し、金属の枠に貼り付けて１２０℃の高温槽中で３分
間加熱し、ディスコティック液晶を配向させた後、１２
０℃のまま高圧水銀灯を用いて１分間ＵＶ照射し、室温
まで放冷した。再びＭＰ−２０３を塗布し、温風にて乾
燥させた後、右ねじれとなるように方向を１０゜ずらし
てラビング処理を行い、Ａ−２液を同様に塗布し、加
熱、ＵＶ処理し、室温に放置する。その後、順次、ＭＰ
−２０３層を塗布後、右ねじれとなるように１０゜ずら
してラビング処理し、Ａ−３液を塗布、ＭＰ−２０３層
を塗布後、右ねじれとなるように１０゜ずらしてラビン
グ処理し、Ａ−４液も同様にして塗布する。その上に同
様の手順で、順次、ＭＰ−２０３、Ａ−４液、ＭＰ−２
０３、Ａ−３液、ＭＰ−２０３、Ａ−２液、ＭＰ−２０
３、Ａ−１液を配向方向が１０゜ずつ右ねじれとなるよ
うに塗設する。このようにして光学異方素子を作成し
た。各層ともディスコティック液晶層の厚みは、およそ
０．２μｍであった。

【００３０】

【化１】

【００３１】各ディスコティック液晶層を別途単独の層
として、島津製作所製エリプソメーター（ＡＥＰ−１０
０）で光学測定を行ったところ、表２のような結果を得
た。各層ともほぼ負の一軸性を有しており、ラビング方
向に光軸が傾斜していた。積層体においても、各層は同
様の光学特性を有しているものと推定される。

【００３２】

【表２】

【００３３】液晶の異常光と常光の屈折率の差と液晶セ
ルのギャップサイズの積が４００ｎｍで、左ねじれでね
じれ角が９０度のＴＮ型液晶セルに、上記光学異方素子
１枚を、ディスコティック液晶層がＴＮ型液晶セル側に
なるように装着した。その際、ＴＮ型液晶セルに最近接
したディスコティック液晶層の薄層の光軸の方位角と、
光学異方素子に近い方のＴＮ型液晶セル基板のラビング
方向を一致させた。更に、全体を挟むようにして偏光膜
を２枚、偏光膜の光の透過軸と近接したＴＮ型液晶セル
基板のラビング方向とが直交するように装着した。液晶
セルに対して、５５Ｈｚ矩形波で電圧を印加した。白表
示１Ｖ、黒表示５Ｖの透過率の比（白表示）／（黒表
示）をコントラスト比として、全方位からのコントラス
ト比測定を大塚電子製ＬＣＤ−５０００にて行い、等コ
ントラスト曲線を描いた。その結果を図１に示す。

【００３４】実施例２ 実施例１で用いた配向膜が塗設されたトリアセチルセル
ロース上に、Ａ−４液を＃３のワイヤーバーで塗布し、
金属の枠に貼り付けて１２０℃の高温槽中で３分間加熱
し、ディスコティック液晶を配向させた後、１２０℃の
まま高圧水銀灯を用いて１分間ＵＶ照射し、室温まで放
冷した。再びＭＰ−２０３を塗布し、温風にて乾燥させ
た後、右ねじれとなるように方向を１０゜ずらしてラビ
ング処理を行い、Ａ−３液を同様に塗布し、加熱、ＵＶ
処理し、室温に放置する。その後、順次、ＭＰ−２０３
層を塗布後、右ねじれとなるように１０゜ずらしてラビ
ング処理し、Ａ−２液を塗布、ＭＰ−２０３層を塗布
後、右ねじれとなるように１０゜ずらしてラビング処理
し、Ａ−１液も同様にして塗布する。このような光学異
方素子を２枚作成した。各層の光学特性は表２と同じで
あった。

【００３５】実施例１と同じＴＮ型液晶セルに、この光
学異方素子を液晶セルを挟むように２枚装着した。その
際、トリアセチルセルロースフィルムが外側となるよう
にし、２枚の光学異方素子ともに、ＴＮ型液晶セルに最
近接したディスコティック液晶層の薄層の光軸の方位角
と、光学異方素子に近い方のＴＮ型液晶セル基板のラビ
ング方向を一致させた。更に、全体を挟むようにして偏
光膜を２枚、偏光膜の光の透過軸と近接したＴＮ型液晶
セル基板のラビング方向とが平行になるように装着し
た。このようにして作成したＴＮ液晶表示素子のコント
ラスト比測定を、実施例１と同様にして測定した。等コ
ントラスト曲線の結果を図２に示す。

【００３６】実施例３ １００μｍのＡＲＴＯＮフィルム（日本合成ゴム社製）
上にポリイミド層を塗設し、ラビング処理を行い、配向
膜を形成した。面内の主屈折率をｎx、ｎy、厚さ方向の
屈折率をｎz、厚さをｄとした時、ＡＲＴＯＮフィルム
は、｜ｎx−ｎy｜×ｄ＝３ｎｍ、｛（ｎx＋ｎy）／２−
ｎz｝×ｄ＝２０ｎｍであり、ほぼ負の一軸性であり、
光軸がほぼフイルム法線方向にあった。

【００３７】この配向膜上に、実施例１と全く同様にし
てディスコティック液晶層を右ねじれとなるように順次
１０゜ずらしながら塗布した。実施例１と同様にしてＴ
Ｎ型液晶セルにこの光学異方素子を装着した。更に、全
体を挟むようにして偏光膜を２枚、偏光膜の光の透過軸
と近接したＴＮ型液晶セル基板のラビング方向とが平行
になるように装着した。このようにして作成したＴＮ液
晶表示素子について、実施例１と同様な全方位でのコン
トラスト比測定を行った。等コントラスト曲線の結果を
図３に示す。

【００３８】比較例１ 実施例１と同じＴＮ型液晶セルに、光学異方素子を装着
せずに、偏光膜をＴＮ型液晶セルの両面に、偏光膜の光
の透過軸と近接したＴＮ型液晶セル基板のラビング方向
とが直交するように装着した。この場合も実施例１と同
様な全方位でのコントラスト比測定を行った。等コント
ラスト曲線の結果を図４に示す。

【００３９】本発明である実施例１〜３（図１〜３）
は、比較例１（図４）に比べて、大幅に視野角特性が改
善されていることがわかる。

【本発明の効果】本発明によれば、液晶表示素子の視角
特性が改善され、視認性にすぐれる高品位表示の液晶表
示素子を提供することができる。また、本発明をＴＦＴ
やＭＩＭなどの３端子、２端子素子を用いたアクティブ
マトリクス液晶表示素子に応用しても優れた効果が得ら
れることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学異方素子を装着した液晶表示素子
（実施例１）のコントラスト１０基準の全方位の視野角
を説明する図である。

【図２】本発明の光学異方素子を装着した液晶表示素子
（実施例２）のコントラスト１０基準の全方位の視野角
を説明する図である。

【図３】本発明の光学異方素子を装着した液晶表示素子
（実施例３）のコントラスト１０基準の全方位の視野角
を説明する図である。

【図４】本発明の光学異方素子を装着しない液晶表示素
子（比較例１）のコントラスト１０基準の全方位の視野
角を説明する図である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学的にほぼ負の一軸性を示す薄膜が連
   続的に積層された積層体からなり、該薄膜の光学軸が法
   線方向から傾斜しており、かつ、該薄膜の傾斜角が厚み
   方向で順次大きくなるかもしくは小さくなるかして変化
   しており、該薄膜の光学軸が厚み方向でねじれているこ
   とを特徴とする光学異方素子。
2. 【請求項２】 該光学異方素子の光学軸のねじれ角が３
   ６０°以下であることを特徴とする請求項１記載の光学
   異方素子。
3. 【請求項３】 該光学異方素子の６３２．８ｎｍの光に
   おける厚み方向レターデーションが５０ｎｍ以上、１０
   ００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の光
   学異方素子。
4. 【請求項４】 該光学異方素子の薄膜の光学軸が法線方
   向からの傾斜角が５°〜９０°であることを特徴とする
   請求項３記載の光学異方素子。
5. 【請求項５】 ２枚の電極基板間に液晶を挟持してなる
   液晶セルと、その両側に配置された２枚の偏光素子から
   なる液晶表示素子において、２枚の偏光素子の間に請求
   項１記載の光学異方素子を少なくとも１枚用いたことを
   特徴とする液晶表示素子。
6. 【請求項６】 該液晶セルがほぼ９０゜のねじれ角を有
   するＴＮ型液晶を液晶セルに用いたことを特徴とする請
   求項５記載の液晶表示素子。
7. 【請求項７】 該光学異方素子のねじれ角の合計が１８
   ０°以下であることを特徴とする請求項６記載の液晶表
   示素子。