JP2006154129A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直配向液晶を用いた半透過型の液晶表示装置において、位相差板の配置を最適化して高コントラストを得る。
【解決手段】液晶層と、これを狭持する一対の基板よりなる液晶セル４１０の表裏には、第１および第２位相差板１１０，１３０が貼着され、さらにそれぞれの位相差板上に吸収軸が互いに９０°となるように偏光板１２０，１４０が貼着されている。それぞれ位相差板は、その位相差板に貼着された偏光板の吸収軸に対し、遅相軸が１５°傾いた１／２波長板１１４，１３４と、遅相軸が７５°傾いた１／４波長板１１２，１３２を組み合わせて形成される。１／２波長板と１／４波長板を組み合わせることにより、位相差板により生じる位相差の波長依存性が減少し、高いコントラスを得ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、垂直配向半透過型液晶表示装置に関し、特にその構造に関する。

垂直配向（Vatically Aligned）型液晶（以下ＶＡ液晶と記す）を用いた液晶表示装置（以下ＬＣＤと記す）が知られている。このＶＡ液晶においては、液晶は、例えば負の誘電率異方性を持ち、垂直配向膜により電圧非印加で液晶分子の長軸が垂直方向（基板平面の法線方向）を向く。このＶＡ液晶を用いたＬＣＤにおいて、液晶層を挟む一対の基板にはそれぞれ互いに９０°偏光軸の異なる偏光板が設けられている。電圧非印加状態において、光源側に配置される基板側の偏光板から液晶層に入射される直線偏光は、液晶が垂直配向しているため、液晶層で複屈折が起こらず、そのままの偏光状態で観察側の基板の偏光板に到達する。このため、観察側の偏光板を透過することができず、「黒」が表示される。電極間に電圧を印加すると、ＶＡ液晶は、基板平面方向に分子の長軸が向くように倒れる。ここで、ＶＡ液晶は負の光学異方性（屈折率異方性）を備えており、液晶分子の短軸が基板平面の法線方向を向くこととなり、光源側から液晶層に入射した直線偏光は、この液晶層で複屈折を受け、直線偏光が、液晶層を進むにつれ楕円偏光となり、さらに円偏光、そして楕円偏光又は直線偏光（いずれの偏光も、入射直線偏光とは９０°異なる偏光軸を持つ）へと変化する。このため、入射された直線偏光の全てが液晶層による複屈折によって９０°逆の直線偏光になれば、これが観察側の基板の偏光板を透過し、表示は「白（最大輝度）」となる。複屈折量は、液晶分子の倒れ方によって決まる。よって、複屈折量によって、入射直線偏光が同じ偏光軸の楕円偏光、円偏光、あるいは９０°異なる偏光軸の楕円偏光となり、射出側偏光板の透過率がその偏光状態によって決定され、中間調の表示が得られることとなる。

また、下記特許文献１のように、画素の一部はＬＣＤ裏面から表面に透過する光により表示を行い、残りの部分は表面から入射した光を反射して表示を行う半透過型ＬＣＤが知られている。反射部分においては、液晶層に入射する光が直線偏光であると十分に黒が表示されず、必要なコントラストが得られない場合があり、円偏光を用いる必要がある。このために、半透過型ＬＣＤにおいては、前述の偏光板と基板の間に位相差板を設け、偏光板を通過した直線偏光を円偏光に変換している。

このＬＣＤに光が入射すると、この光は、まず偏光板にて直線偏光となり、更に位相差板にて円偏光となる。円偏光は液晶層に入射し、ここで液晶の配向に応じた位相差が生じる。液晶層を通過した光は、位相差板にて直線偏光となり、偏光板に向かう。このとき、直線偏光の偏光軸と偏光板の遅相軸とのなす角により、透過率が変化し、ＬＣＤを通過する光の輝度が決まる。すなわち、液晶の配向を制御することにより、輝度の制御を行うことができる。配向を制御するために、基板に設けられた電極間に電圧を印加し、液晶層に電界を形成する。

電圧を印加していない状態においては、液晶分子は、その長軸が基板に直交する方向を向き、このときには、通過する光には位相差が生じない。この結果、位相差板を通過して直線偏光となった光の偏光角は、通過前と一致する。表裏の偏光板は、それぞれの偏光軸が９０°に交差するように配置されているので、先の光は、もう一方の偏光板を通過せず、これにより表示は黒となる。

印加する電圧を大きくしていくと、液晶分子は倒れ、基板の平面方向に平行となる向きに傾く。この傾きの程度に応じて通過する光に位相差が生じ、もう一方の偏光板に到達した光の偏光角は、この偏光板の偏光各方向の成分を有するようになり、表示は、白またはグレー（中間調）となる。

特開２００３−２５５３９９号公報

液晶層に入射する光の位相差が波長依存性を有していると、波長によりＬＣＤを透過する光量が異なることになる。したがって、位相差板は、波長によらず、一定の位相差を与えることが望まれる。言い換えれば、どの波長においても、直線偏光が円偏光に変換されることが望まれる。しかしながら、１／４波長板など一般的な位相差板は、これが与える位相差に波長依存性があることが知られている。

ＶＡ液晶においては、黒表示の際に液晶層において位相差が生ぜず、光漏れが少なく、高いコントラストを得るのに有利という特性がある。位相差板による生じる位相差が波長依存性を有すると、ある波長の光は漏れて、黒表示が十分黒くならなくなり、ＶＡ本来の性能を発揮できない。したがって、半透過型ＬＣＤにＶＡ液晶を導入するにあたっては、広い帯域で一定の位相差を生じさせる位相差板が望まれる。

本発明のＬＣＤは、ＶＡ半透過型ＬＣＤであって、液晶層を狭持する一対の基板のそれぞれには位相差板が貼着され、さらにそれぞれの位相差板上に吸収軸が互いに略９０°となるように偏光板が隣接配置され、前記それぞれ位相差板は、その位相差板に隣接配置された偏光板の吸収軸に対し、遅相軸が略１５°傾いた１／２波長板と、遅相軸が略７５°傾いた１／４波長板とを有している。また、コントラストが３００以上となるためには、１／２波長板、１／４波長板の遅相軸の傾きは、±３°の範囲が好ましい。

本発明によれば、ＶＡ半透過型ＬＣＤの位相差板の波長依存性が低減され、コントラストの向上に有利となる。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１は、本実施形態に係るＬＣＤとして、半透過型アクティブマトリクスＬＣＤを用いた場合の概略断面構成を示している。なお、この図１および以降の説明に用いる各図は、本実施形態の構成をより理解しやすいように模式的に示したものであり、寸法は現実のものとは異なっている。本実施形態に係る半透過型ＬＣＤは、複数の画素を備え、互いの対向面側に第１電極２００、第２電極３２０が形成された第１及び第２基板１００，３００を、間に液晶層４００を挟んで貼り合わせて構成される。さらに、各画素領域内には透過領域２１０と反射領域２２０とが形成されている。

液晶層４００としては負の誘電率異方性を備えた垂直配向型の液晶が採用され、かつ、１画素領域内を複数の配向領域に分割するための配向制御部５００（配向分割部）が第２基板側又は第１基板に設けられている。配向制御部５００は、例えば図１に示すような液晶層４００に向かって突出する突起部５１０、傾斜部５２０や、図１では、画素電極２００の間隙によって構成される電極不在部などによって構成している（詳しくは後述する）。

第１及び第２基板１００，３００には、ガラスなどの透明基板が用いられている。第１基板１００側には、第１電極として、画素ごとに個別のパターンのＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）などの透明導電性金属酸化物が用いられた画素電極２００及び、この画素電極２００に接続された薄膜トランジスタなどのスイッチ素子が形成されている（図示せず）。第１基板１００の全面には、画素電極２００を覆うように垂直配向型の配向膜２６０が形成されている。この配向膜２６０には、例えばポリイミドなどが用いられ、本実施形態では、ラビングレスタイプを採用しており、液晶の初期配向（電圧非印加状態での配向）を膜の平面方向に対して垂直なものとしている。なお、１つの画素電極２００の形成領域内に、上記透明の電極のみからなる透明領域２１０と、上記透明電極と積層形成された反射膜又は反射電極の形成された反射領域２２０が設けることができる。

このような第１基板１００と、液晶層４００を挟んで対向する第２基板３００には、その液晶層側の面に、まずＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の色フィルタ３３０ｒ，３３０ｇ，３３０ｂが対応する所定位置に形成されている。各色フィルタ３３０ｒ，３３０ｇ，３３０ｂの境界部分には、画素間での光漏れを防ぐための遮光層（ここでは黒色色フィルタ）３３０ＢＭが設けられている。図示するように、色フィルタの厚さは、色ごとに異なり、これにより色ごとの画素の液晶層の厚さを変え、電極間に印加する電圧と透過光量の波長依存性を補償している。したがって、色フィルタ３３０ｒ，３３０ｇ，３３０ｂは、色に対応して液晶層の厚さ（セルギャップ）を調整する色対応ギャップ調整層として機能する。

色フィルタ３３０ｒ，３３０ｇ，３３０ｂの上には、各画素の反射領域２２０に対向する領域においてその液晶層の厚さ（セルギャップ）ｄr を透過領域２１０での液晶層の厚さ（セルギャップ）ｄt より小さい所望の値（ｄr ＜ｄt ）とするために、光透過性材料よりなる反射領域ギャップ調整層３４０が形成されている。また、前述のように色ごとにセルギャップは異なっており、各色の画素の反射領域、透過領域のセルギャップは、必要に応じて前述のｄr ，ｄt に色に対応した添え字r ,g ,b を付して説明する。例えばＲ用画素の反射領域、透過領域のセルギャップは、それぞれｄrr，ｄtrと表す。なお、この反射領域ギャップ調整層３４０の厚さは、入射光が液晶層４００を１回通過する透過領域２１０と、２回通過する反射領域２２０とで、それぞれ最適な透過率、反射率を得るために要求される液晶層の厚さｄが異なる場合に対応している。よって、例えば、反射領域ギャップ調整層３４０を設けない透過領域２１０で最適な透過率が得られるように液晶層の厚さｄを決め、反射領域２２０では、所望の厚さの反射領域ギャップ調整層３４０を形成することで、透過領域２１０よりも小さい液晶層の厚さｄを得ることができる。

上記反射領域ギャップ調整層３４０を含む第２基板３００の全面を覆うように、第２電極として、各画素に対して共通の電極（共通電極）３２０が形成されている。この共通電極３２０は、上記画素電極２００と同様に、ＩＴＯやＩＺＯなどの透明導電性金属酸化物を用いて形成することができる。

この共通電極３２０の上に、本実施形態では、１画素領域内において液晶の配向方向を分割して配向方向の異なる領域を複数形成する配向制御部５００として突起部５１０を形成している。この突起部５１０は、液晶層４００に向かって突起しており、導電性であっても絶縁性であっても良いが、ここでは、絶縁性の例えばアクリル系の樹脂などを所望パターンに形成して形成することができる。また、突起部５１０は、各画素領域内の透過領域２１０にも、反射領域２２０にもそれぞれ形成されている。

上記突起部５１０及び共通電極３２０を覆って、第１基板側と同様の垂直配向型、ラビングレスの配向膜２６２が形成されている。上述のように配向膜２６２は、その膜平面方向に対して垂直な方向に液晶を配向させるが、突起部５１０を覆う位置では、突起部５１０の形状を反映した斜面が形成される。したがって、突起部５１０の形成位置では、これを覆う配向膜２６２の斜面に対し、液晶が垂直な方向に配向されることとなり、この突起部５１０を境に液晶の配向方向が分割される。また、本実施形態では、第２基板側に設けられた上記反射領域ギャップ調整層３４０の側面をテーパ形状として傾斜させ、この斜面の上方を覆う配向膜２６２にも斜面を形成し、この斜面においても、液晶が斜面に垂直な方向に制御され、配向制御部５００として機能している。

図１に示す半透過型ＬＣＤにおいて、第１基板１００の外側（光源６００側）には直線偏光板（第１偏光板）１２０、位相差板（第１位相差板）１１０が設けられている。第１位相差板１１０は、２種類の位相差板、すなわち１／４波長板（第１λ／４板）と１／２波長板（第１λ／２板）からなる。

第２基板３００の外側（観察側）には、負の屈折率異方性を有する光学補償板３１０が設けられ、さらに、第２位相差板１３０、直線偏光板である第２偏光板１４０が設けられている。第２位相差板１３０も第１位相差板１１０と同様、１／４，１／２波長板の２種類の位相差板からなる。

これらの位相差板１１０，１３０および直線偏光板１２０，１４０は、まず基板１００，３００に位相差板が貼着し、更に直線偏光板を貼着するようにもでき、また位相差板と直線偏光板を一体に形成して、その後基板に貼着するようにすることもできる。

図２には、第１および第２偏光板１２０，１４０、第１および第２位相差板１１０，１３０の関係が示されている。なお、符号４１０で示す部材は、液晶層４００とこれを狭持する第１および第２基板１００，３００、さらにこの基板上に形成された電極、配向膜などからなる液晶セルである。

第１位相差板１１０は、液晶セル４１０側に位置する第１λ／４板１１２と、第１偏光板１２０側に位置する第１λ／２板１１４がはり合わされて構成される。第２位相差板１３０も、液晶セル４１０側に位置する第２λ／４板１３２と、第２偏光板１４０側に位置する第２λ／２板１３４がはり合わされて構成される。

第１及び第２λ／４板１１２，１３２は、それぞれの複屈折光に対し、１３８±１０μｍの位相差を生じさせ、第１及び第２λ／２板１１４，１３４は、２７５±１０μｍの位相差を生じさせる。したがって、これらの位相差板は、５５０ｎｍの波長に対し、１／４波長板、１／２波長板となっている。また、偏光板の吸収軸、位相差板の遅相軸の配置は、第２偏光板１４０の吸収軸１４１の向きを０°としたときに、次のようになっている。第２λ／２板１３４の遅相軸１３５が１５°、第２λ／４板１３２の遅相軸１３３が７５°、第１λ／４板１１２の遅相軸１１３が１６５°、第１λ／２板１１４の遅相軸１１５が遅相軸１０５°、そして第１偏光板の吸収軸１２１が９０°となるようにそれぞれが配置されている。第１λ／４板の遅相軸１１３と第１λ／２板の遅相軸１１５は、第１偏光板の吸収軸１２１を基準とすれば、それぞれ１５°，７５°の配置となっていることが分かる。

図３および図４は、一つのλ／４板またはλ／２板が生じさせる位相差を、それぞれ２７５，１３８μｍを中心に振ったときのコントラストを示している。要求されるコントラスト３００以上を達成するには、λ／４板において±１０μｍの範囲とする必要がある。λ／２板については、より広い範囲とすることが可能であるが、λ／４板にあわせて±１０μｍとする。

図５から図７は、第２偏光板の吸収軸の角度、第２λ／２板、第２λ／４板の遅相軸の角度をそれぞれ０°，１５°，７５°を中心に振ったときのコントラストを示している。コントラスト３００を得るには偏光板、λ／４板では±３°の範囲とすることが必要である。λ／２板においては±２°とする必要があるが、公差の端、すなわち＋３°、−３°付近の出現率は低いことを考えて、他の板とあわせて±３°とする。第１偏光板、第１λ／２板、第１λ／４板については、対称性から同一の範囲とすればよい。

図８は、λ／２板とλ／４板を、前述の角度で組み合わせた位相差板の位相差の、波長依存性を示すグラフである。図から理解されるように、可視領域においてほぼ均一な位相差を生じさせることができる。

光源６００から射出され光は、第１基板１００側の直線偏光板１２０を透過し偏光板１２０の偏光軸に沿った方向（吸収軸に直交する方向）に直線偏光する。この直線偏光は、第１位相差板１１０においてその位相差が円偏光となる。ここで、本実施形態では、少なくとも波長の異なるＲ，Ｇ，Ｂのいずれの成分に対しても確実に円偏光として、液晶セルでの光の利用効率（透過率）を高めるために、λ／４板、λ／２板を組み合わせて広帯域円偏光板としている。得られた円偏光は、透過領域２１０において画素電極２００を透過して液晶層４００に入射する。

本実施形態に係る半透過型ＬＣＤでは、液晶層４００には、上述のように、負の誘電率異方性（Δε＜０）をもつ垂直配向型液晶を用いており、また垂直配向型の配向膜２６０，２６２を用いている。

よって、電圧非印加状態では、配向膜２６０，２６２の形成する平面の法線方向に配向し、印加電圧が大きくなるにつれ、液晶の長軸方向が画素電極２００と共通電極３２０の間に形成される電界に対して直交方向（基板の平面方向に平行）へと傾く。液晶層４００に電圧が印加されていない場合には、液晶層４００で偏光状態が変化せず、円偏光のまま第２基板３００に到達し、第２位相差板１３０で円偏光が解消され、直線偏光となる。このとき第２位相差板１３０の直線偏光の方向と直交するように第２偏光板１４０が配置してあるので、この直線偏光は、第１偏光板１２０と直交方向の透過軸（偏光軸）の第２偏光板１４０を透過することができず、表示は黒となる。

液晶層４００に電圧が印加されると、入射された円偏光に対して液晶層４００が位相差を発生させ、例えば逆回りの円偏光や、楕円偏光、直線偏光となり、得られた光に対して第２位相差板１３０で更にλ／４位相がずらされることで、直線偏光（第２偏光板の透過軸と平行）、楕円偏光や円偏光となり、これらの偏光は第２偏光板１４０の偏光軸に沿った成分を有しており、その成分に応じた量の光がこの第２偏光板１４０から観察側に向けて射出させ、表示（白又は中間調）として認識される。

なお、光学補償板３１０は、ネガティブリターダであり、液晶層の中央領域と配向膜２６０，２６２との微妙な配向状態の違いを補償する逆の光学異方性を持ち、この位相差板３１０を透過することで、色つきが解消され、また意図しないプレチルト（配向膜２６０，２６２付近での液晶の吸着による固定化等による）などによる表示の反転や色つきなどを解消でき、結果として視野角を向上させることを可能としている。

本実施形態のＬＣＤの断面を概略的に示した図である。 偏光板、位相差板の配置を示す図である。 λ／２板の位相差の変化に対するコントラストの変化の様子を示す図である。 λ／４板の位相差の変化に対するコントラストの変化の様子を示す図である。 偏光板の吸収軸の方向の変化に対するコントラストの変化の様子を示す図である。 λ／２板の遅相軸の方向の変化に対するコントラストの変化の様子を示す図である。 λ／４板の遅相軸の方向の変化に対するコントラストの変化の様子を示す図である。 位相差板により生じる位相差の波長依存性を示す図である。

符号の説明

１１０ 第１位相差板、１１２ 第１λ／４板、１１４ 第１λ／２板、１２０ 第１偏光板、１３０ 第２位相差板、１３２ 第２λ／４板、１３４ 第２λ／２板、１４０ 第２偏光板、４００ 液晶層、４１０ 液晶セル。

Claims (2)

1. 一つの画素に反射領域と透過領域を有し、垂直配向型液晶層を有する液晶表示装置であって、
   液晶層を狭持する一対の基板のそれぞれには位相差板が貼着され、さらにそれぞれの位相差板上に吸収軸が互いに略９０°となるように偏光板が隣接配置され、
   前記それぞれ位相差板は、その位相差板に隣接配置された偏光板の吸収軸に対し、遅相軸が略１５°傾いた１／２波長板と、遅相軸が略７５°傾いた１／４波長板とを有する、
   ことを特徴とする液晶表示装置。
2. 一つの画素に反射領域と透過領域を有し、垂直配向型液晶層を有する液晶表示装置であって、
   液晶層を狭持する一対の基板のそれぞれには位相差板が貼着され、さらにそれぞれの位相差板上に吸収軸が互いに略９０°となるように偏光板が隣接配置され、
   前記それぞれ位相差板は、その位相差板に隣接配置された偏光板の吸収軸に対し、遅相軸が１５±３°傾いた１／２波長板と、遅相軸が７５±３°傾いた１／４波長板とを有する、
   ことを特徴とする液晶表示装置。
   

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