JP2010054895A - 液晶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 可撓性基板の光学異方性に起因するコントラスト低下を低減させることができると共に、設計や製造工程を簡単化することが可能な液晶装置を提供すること。
【解決手段】 上側の液晶セル１８は、液晶層中央にある液晶分子１４の長軸と２枚の可撓性基板１２，１３の遅相軸２２、２６とが平行である。同様に下側の液晶セル１９も液晶層中央にある液晶分子３０の長軸と２枚の可撓性基板１５，１６の遅相軸２８、３２とが平行である。さらに偏光板１４と隣接する液晶分子２５，２９の長軸と透過軸２７が平行である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、２枚の液晶セルを積層させた液晶装置に関する。

従来から液晶セルを２枚重ねて様々な機能を実現する手法が知られており、多くの応用例が示されてきた。本願発明者は、３枚の偏光板と、２枚のプラスチック液晶セルとを交互に積層配置し、液晶セルの２層化により複雑な表示を実現させながら薄型化と軽量化を同時に図ろうとした。しかしながら、このような液晶装置では十分なコントラストを得ることができなかった。

プラスチック液晶セルのコントラストが低下する原因として、プラスチック基板に存在する小さな複屈折（光学異方性）が知られている。この解決方法としては、例えば下記特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１の特許請求の範囲には、「前記プラスチック基板の光学異方性ｄΔｎ（ｄ：基板の厚さ，Δｎ：屈折率異方性）を１５ｎｍ以下とするか、若しくは前記プラスチック基板の光学異方軸の方向と該基板の液晶配向処理方向との間の角度を前記光学異方性ｄΔｎの値に対応して４５°より小さな所定の値に設定した」旨の開示がされている。なお、一般に、プラスチック基板用のフィルム製造工程においては、フィルムが巻き取り時や引き出し時に延伸されるため、得られるプラスチック基板には光学異方性が発生する。
特開昭６０−７８４２０号公報

しかしながら、特許文献１には、１枚の液晶セルで構成された液晶装置に関する条件が示されているだけで、２枚の液晶セルを積層する液晶装置については何ら開示されていない。

また特許文献１に記載された液晶セルでは、角度設定が基板の光学異方性ｄΔｎに依存した中間的な値をとるため設計や製造が煩瑣になる。

本発明は、上記従来技術の有する問題に鑑みてなされたものであり、可撓性基板の光学異方性に起因するコントラスト低下を低減させることができると共に、設計や製造工程を簡単化することが可能な液晶装置を提供することを目的とする。

本発明は、光学異方性を有する２枚の可撓性基板間にツイストネマティック液晶で構成された液晶層を挟持した第１及び第２の液晶セルを備え、該第１及び第２の液晶セルが偏光板を介在して積層された液晶装置において、第１及び第２の液晶セルの各々は、２枚の可撓性基板の遅相軸が平行で、かつ、電圧無印加時の液晶層中央の液晶分子の長軸と可撓性基板の遅相軸または進相軸とが平行となっており、第１の液晶セルの偏光板側にある可撓性基板に接触する液晶分子の長軸方向と、第２の液晶セルの偏光板側にある可撓性基板に接触する液晶分子の長軸方向と、偏光板の透過軸または吸収軸と、が平行になっていることを特徴とするものである。

可撓性基板の遅相軸は、該可撓性基板の延伸方向に対し平行または垂直であるのが好ましい。

この場合、第１及び第２の液晶セルのいずれか一方の液晶セルの可撓性基板は、遅相軸の方向が延伸方向と平行となっており、他方の液晶セルの可撓性基板は、遅相軸の方向が延伸方向に対し垂直になっていてもよい。

本発明によれば、２枚の可撓性基板間で光学異方性が相殺され、各液晶セルに入射した直線偏光が概ね直線偏光として出射するので、コントラスト低下を低減することができる。

さらに本発明によれば、偏光板や可撓性基板の光軸が、４５°又は９０°方向を向くため設定角度が単純化するので、設計や製造工程を簡単化することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
（第１の実施形態）

図１において本発明の第１の実施形態の積層構造を説明する。図１は、第１の実施形態に係る液晶装置を示す断面図である。液晶セル１８（第１の液晶セル）の２枚の可撓性基板１２，１３の間には液晶層（図示せず）が挟持されている。同様に液晶セル１９（第２の液晶セル）の２枚の可撓性基板１５，１６の間にも液晶層（図示せず）が挟持されている。液晶セル１８，１９は偏光板１４を介して積層している。さらに液晶セル１８の上と液晶セル１９の下にもそれぞれ偏光板１１，１７が配置されている。なお、液晶セル１８，１９の液晶層は、可撓性基板１２，１３の間と可撓性基板１５，１６間の各々において９０°ツイストしたツイストネマチック液晶で構成されている。また可撓性基板１２，１３，１５，１６は、厚さが１２０μｍのポリカーボネートからなり光学異方性を有している。

図２により積層部材の光軸と液晶分子配列を説明する。図２は第１の実施形態の液晶装置の分解斜視図である。方向関係を明確にするため図中、層部材間で共通のｚ軸を用い、層部材毎にｘ軸とｙ軸を示す。また光軸を中線の矢印、液晶分子を太線の矢印で示す。なお層部材の厚さは省略している（以下同様）。

まず光軸から説明する。偏光板１１，１４，１７の透過軸２１，２７，３３は平行で、ｘ軸およびｙ軸と４５°で交差している。液晶セル１８の可撓性基板１２，１３の遅相軸２２，２６はｙ軸と平行である。一方、液晶セル１９の可撓性基板１５，１６の遅相軸２８，３２はｘ軸と平行である。すなわち、液晶セル１８の２枚の可撓性基板１２，１３の遅相軸２２，２６は平行になっている。同様に液晶セル１９の２枚の可撓性基板１５，１６の遅相軸２８，３２も平行になっている。なお、各可撓性基板１２，１３，１５，１６の進相軸（図示せず）は各遅相軸２２，２６，２８，３２と直交している。

ところで、可撓性基板１８，１９は、その製造の際に延伸工程を経て形成される。そして、本実施形態に係る可撓性基板１８，１９では、遅相軸２２，２６，２８，３２が上記延伸工程での延伸方向に対し平行または垂直となっている。これにより、遅相軸方向の特定が容易となり、設計や製造工程を簡単化することができる。

なお、液晶セル１８，１９の双方の可撓性基板の遅相軸が延伸方向に対して平行（または垂直）となっていてもよいし、液晶セル１８，１９のいずれか一方の液晶セルの可撓性基板の遅相軸の方向が延伸方向と平行となっていて、他方の液晶セルの可撓性基板の遅相
軸の方向が延伸方向に対し垂直となっていてもよい。いずれにしても、遅相軸方向の特定が容易となるため、設計や製造工程が簡単化される。

次に液晶セル１８の液晶分子の方向を説明する。ここで、図中ｘｙ平面において、ｘ軸とｙ軸によって４分割された領域の右下から反時計回りにそれぞれ第１〜第４象限とする。可撓性基板１２の下面に接する液晶分子２３の長軸は、基板１２のｘｙ平面の第４象限から第２象限に向かっており、ｘ軸およびｙ軸と４５°で交差している。これに対し可撓性基板１３の上面に接する液晶分子２５の長軸は、可撓性基板１３のｘｙ平面の第３象限から第１象限に向かっている。なおｘ軸およびｙ軸との交差角は４５°である。可撓性基板１２，１３間の液晶分子配列は９０°ツイストしているので、可撓性基板１２，１３間の中央にある液晶分子２４の長軸はｙ軸と平行になる。すなわち電圧無印加時には液晶層中央にある液晶分子２４の長軸と可撓性基板１２，１３の遅相軸２２，２６とが平行になっている。

次に液晶セル１９の液晶分子の方向を説明する。可撓性基板１５の下面に接する液晶分子２９の長軸は、基板１５のｘｙ平面の第３象限から第１象限に向かっており、ｘ軸およびｙ軸と４５°で交差している。これに対し可撓性基板１６の上面に接する液晶分子３１の長軸は、可撓性基板１６のｘｙ平面の第２象限から第４象限に向かっている。なおｘ軸およびｙ軸との交差角は４５°である。可撓性基板１５、１６間の液晶分子配列は９０°ツイストしているので、可撓性基板１５、１６間の中央にある液晶分子３０の長軸はｘ軸と平行になる。すなわち電圧無印加時には液晶層中央にある液晶分子３０の長軸と可撓性基板１５，１６の遅相軸２８，３２とが平行になっている。

最後に偏光板１４の透過軸２７と液晶分子の方向関係について説明する。液晶セル１８の偏光板１４側の可撓性基板１３に接触する液晶分子２５の長軸（配向）方向と、液晶セル１９の偏光板１４側の可撓性基板１５に接触する液晶分子２９の長軸（配向）方向と、偏光板１４の透過軸２７とが平行になっている。

図３において液晶セル１８へ入射する光の挙動を説明する。図３は偏光状態と光軸の関係を示す説明図である。

図３（ａ）は、可撓性基板１３の裏面から直線偏光３４が入射するときの遅相軸２６と進相軸３６を示している。ここで直線偏光３４の振動面は偏光板１４の透過軸２７方向に等しい。Ｘ軸とＹ軸は、それぞれ可撓性基板１３のｘ軸とｙ軸に相当する。

図３（ｂ）は、可撓性基板１３を出射した光の偏光状態を示している。可撓性基板１３の光学異方性により直線偏光３４は楕円偏光３６になる。直線偏光３４と遅相軸２６，進相軸３５の交差角が４５°なので楕円偏光の長軸は直線偏光３４方向を向いている。なお可撓性基板１３の光学異方性は弱いので、楕円偏光はかなり扁平になるが、説明のため短軸を大きくして描いている。

図３（ｃ）は、液晶層を通過して可撓性基板１２に入射する際の偏光状態を示している。ここで図３（ｂ）と図３（ｃ）で楕円が同じ向きになるように座標軸を入れ替えている。この座標軸の変換は、図２のｚ軸を中心に液晶分子配列のツイスト方向とは反対向きに９０°可撓性基板１２を回転させたものである。すなわちＸ軸とＹ軸は可撓性基板１２のｙ軸とｘ軸（逆向き）に相当する。この座標軸変換に対応して遅相軸２２と進相軸３８はそれぞれＸ軸とＹ軸に平行になる。

図３（ｄ）は、可撓性基板１２から出射する光の偏光状態を示している。Ｘ軸とＹ軸は図３（ｃ）と等しい。出射する光は直線偏光３９となる。

図３（ｃ）における座標軸変換をさらに詳しく説明する。この座標軸変換の目的は、２枚の可撓性基板１２，１３が積層したときに、旋光の要素を取り去り光学異方性が与える影響だけを考察しようとするものである。まず９０°旋光により、可撓性基板１３のｘ軸は可撓性基板１２のｙ軸となり、可撓性基板１３のｙ軸（逆向き）は可撓性基板１２のｘ軸となったと考える。次に液晶層を取り去り９０°旋光を無くす（ねじれを取り去るようなイメージ）と、可撓性基板１２のｙ軸は可撓性基板１３のｘ軸と一致し、同様に可撓性基板１２のｘ軸は可撓性基板１３のｙ軸（逆向き）と一致する。

すなわち、本実施形態において液晶セル１８が有する９０°旋光の影響を取り去るということは、光学的には光学異方性が等しく遅相軸同士が直交した２枚の位相差板を重ねることと等しい。このとき入射光のＸ成分は最初の位相差板で進相し２枚目の位相差板で遅相する。これとは反対にＹ成分は最初の位相差板で遅相し２枚目の位相差板で進相する。つまりＸ成分とＹ成分の位相量（光学距離）が等しくなるので入射光がそのまま出射する。

再び図２に戻り偏光状態を説明する。裏面側から偏光板１４を透過した光は透過軸２７の方向を向いた直線偏光となる。この直線偏光が液晶セル１８に入射すると、前述の説明から液晶分子２３の長軸方向の直線偏光となって可撓性基板１２を出射する。この直線偏光は偏光板１１の透過軸２１と直交しているので偏光板１１に全て吸収される。このようにして入射光が遮断される。例えば液晶セル１９の液晶層に電圧を印加し偏光板１４から下の部分が透過状態になっていたとしても、液晶セル１８と偏光板１１，１４により液晶装置の下から入射する光が遮断されるので、偏光板１１側から眺めると深い黒となって見える。この黒レベルの下がった状態が高いコントラストに繋がる。

液晶セル１９側も同様に光遮断作用がある。液晶セル１８の液晶層に電圧を印加し偏光板１４の上の部分を透過状態にしても、液晶セル１９と偏光板１４，１７で入射光が遮断されるので、偏光板１１側から眺めると深い黒になって見える。

なお、前述の説明、および図３の説明において液晶層の複屈折は無視していた。つまり液晶分子の長軸方向と短軸方向で光の伝搬速度は等しいと仮定していた。前述のように可撓性基板の光学異方性が小さいため、可撓性基板に入射する直線偏光が極めて扁平な楕円偏光なるのでこの近似が有効となる。言い換えれば、異常光成分をいったん無視してしまう。なお、このように楕円偏光が液晶層に入射する際の複屈折を無視している一方で、偏光板の光軸と液晶分子の長軸との関係については複屈折の発生に配慮している。すなわち、偏光板の透過軸（または吸収軸）と、偏光板に隣接する液晶分子の長軸（または短軸）は平行（または直交）とし、異常光（または常光）の発生を抑圧している。本発明は、後者の条件の下で前者の近似を採用している。

本実施形態において、液晶セル１８に対し偏光板１１，１４の透過軸方向は平行である。この構成は液晶層への電圧無印加時に遮光機能を有するのでノーマリブラックと呼ばれる。液晶セル１９と偏光板１４，１７の組合せも同様である。
（第２の実施形態）

本発明は偏光板および可撓性基板の光軸の選び方に一定の任意性がある。図４は第２の実施形態としてノーマリホワイトの液晶装置を説明する。図４は第２の実施形態の液晶装置の分解斜視図である。なお積層部材としては第１の実施形態と同じなので共通の番号を付している（以下同じ）。

図４と図２の違いは、偏光板１１と偏光板１７において、図４に示す透過軸４１，４２
と図２に示す透過軸２１，３３が直交していることである。

偏光板１７の下側から入射した光は、偏光板１７の透過軸４２方向の偏光となる。この偏光は液晶分子３１の長軸方向に振動しているので、そのまま液晶層を旋光しながら進み、前述の説明に従って液晶分子２９の長軸方向に偏光して液晶セル１９を出射する。この偏光は、振動方向が偏光板１４の透過軸２７と平行なので偏光板１４を通過し、同様の過程を経て偏光板１１から出射する。すなわち液晶層に電圧が印加されていない時にはこの液晶装置は透過状態になる。この様な状態をノーマリホワイトと呼ぶ。

本実施形態では偏光板１４，１１への入射時に透過軸２７，２１と平行な直線偏光となっているので損失がない。ノーマリホワイトの場合、低損失により透過効率が高くなることがコントラスト向上につながる。
（第３の実施形態）

図５は第３の実施形態として第１の液晶セルと第２の液晶セルの遅相軸が平行な場合を説明する。図５は第３の実施形態の液晶装置の分解斜視図である。

図５と図２の違いは、可撓性基板１５，１６において図５に示す遅相軸５１，５２と図２に示す遅相軸２８，３２が直交していることである。

ここで第３の実施形態は第１の実施形態と同じ動作をすることを示す。つまり図３において、遅相軸と進相軸を置き換えても結論は変わらない。図３で「入射光のＸ成分は最初の位相差板で進相し２枚目の位相差板で遅相する。」という記述が、上下の可撓性基板１２，１３の順番を入れ替え遅相軸と進相軸を置き換えると「入射光のＸ成分は最初の位相差板で遅相し２枚目の位相差板で進相する。」といことになる。（Ｙ成分も同様。）つまり位相量がＸ成分もＹ成分も同じなので入射光がそのまま出射する。以上の結果から第３の実施形態と第１の実施形態は偏光制御に関し同じ動作となる。

なお、本発明に係る液晶装置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、第１の実施形態および第３の実施形態では偏光板１４の上側と下側が共にノーマリブラックとなっているが、一方をノマーリブラック、他方をノーマリホワイトとする液晶装置にも適用可能である。また第１から第３までの実施形態では偏光板１４の上側と下側の液晶層がともに９０°ツイストしているが、一方を９０°ツイスト、他方を−９０°ツイスト（逆ひねり）とする液晶装置にも適用可能である。

また、レーザ光線のように偏光した光が入射する場合は、入射側の偏光板は不要となる。偏光眼鏡などを使う場合は、出射側の偏光板は不要となる。

フィルム延伸方向に遅相軸が発生する材料はポリカーボネートが知られている。これに対し、ポリサルホンやポリスチレン等はフィルム延伸方向に垂直に遅相軸が発生する。

本発明の第１の実施形態に係る液晶装置を示す断面図である。 図１に示す液晶装置の分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る液晶装置の偏光状態を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る液晶装置を示す分解斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る液晶装置を示す分解斜視図である。

符号の説明

１１，１４，１７…偏光板
１２，１３，１５，１６…可撓性基板
１８…液晶セル（第１の液晶セル）
１９…液晶セル（第２の液晶セル）
２１，２７，３３，４１，４２…透過軸
２２，２６，２８，３２，５１，５２…遅相軸
２３，２４，２５，２９，３０，３１…液晶分子
３５，３８…進相軸

Claims (3)

1. 光学異方性を有する２枚の可撓性基板間にツイストネマティック液晶で構成された液晶層を挟持した第１及び第２の液晶セルを備え、該第１及び第２の液晶セルが偏光板を介在して積層された液晶装置において、
   前記第１及び第２の液晶セルの各々は、前記２枚の可撓性基板の遅相軸が平行で、かつ、電圧無印加時の前記液晶層中央の液晶分子の長軸と前記可撓性基板の遅相軸または進相軸とが平行となっており、
   前記第１の液晶セルの前記偏光板側にある前記可撓性基板に接触する液晶分子の長軸方向と、前記第２の液晶セルの前記偏光板側にある前記可撓性基板に接触する液晶分子の長軸方向と、前記偏光板の透過軸または吸収軸と、が平行になっていることを特徴とする液晶装置。
2. 前記可撓性基板の遅相軸は、該可撓性基板の延伸方向に対し平行または垂直であることを特徴とする請求項１に記載の液晶装置。
3. 前記第１及び第２の液晶セルのいずれか一方の液晶セルの前記可撓性基板は、前記遅相軸の方向が前記延伸方向と平行となっており、他方の液晶セルの前記可撓性基板は、前記遅相軸の方向が前記延伸方向に対し垂直になっていることを特徴とする請求項２に記載の液晶装置。

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