JP2006154129A - 液晶表示装置 - Google Patents
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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
【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。
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。
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)
- 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。 - 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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