JP7033283B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光学補償板を含む液晶表示装置に関する。
液晶層内の液晶分子配向を基板に対して垂直または略垂直とする「垂直配向型」液晶表示素子は、電圧無印加時における黒レベルが非常に良好である。また、液晶セルの片面または両面において、液晶セルと偏光板との間に、適切なパラメータを有する負の光学異方性を有する光学補償板を導入することにより、さらに良好な視角特性を得ることができる。
特許文献1には、液晶セルの片面に負の二軸光学異方性を有する光学補償板(以降、負の二軸フィルムと呼ぶ)を導入した、垂直配向型の液晶表示装置が開示されている。特許文献1によれば、負の二軸フィルムの面内方向のリタデーションReを5nm~40nmの範囲内にするなど、所定の条件に設定することにより、色変化・色付きおよび光抜けの少ない、良好な表示を実現する液晶表示装置を得ることができる、としている。
特許第5364343号公報
現在、5nm≦Re≦40nmの条件を有する負の二軸フィルムは、一般に流通しておらず、入手しにくい。現在、一般に流通する負の二軸フィルムは、概ね45nm≦Re≦65nmの条件を有している。
本発明の主な目的は、良好な表示を実現することのできる液晶表示装置を容易に製造することにある。
本発明の主な観点によれば、液晶表示素子であって、第1及び第2の透明基板、前記第1及び第2の透明基板間に挟持され、垂直配向する液晶層であって、リタデーションΔndが、164nm≦Δnd≦274nmである、液晶層、前記第1の透明基板の前記液晶層とは反対側に配置された第1の偏光板、前記第2の透明基板の前記液晶層とは反対側に、前記第1の偏光板とクロスニコルに配置された第2の偏光板、および、前記第1の透明基板と前記第1の偏光板との間、または、前記第2の透明基板と前記第2の偏光板との間のどちらか一方に、面内遅相軸が、前記第1、第2の偏光板のうち、近接する偏光板の吸収軸に直交するように配置された、負の二軸光学異方性を有する視角補償板であって、面内方向のリタデーションReが、50nm≦Re≦60nmであり、厚み方向のリタデーションRthが、110nm≦Rth≦150nmである、視角補償板、を有する液晶表示素子と、前記第2の偏光板の、前記第2の透明基板とは反対側に配置された白色光源と、
を備え、前記液晶表示素子における、前記液晶層のリタデーションΔndと前記液晶層以外の厚さ方向のリタデーションの総和Rthallとの比率が、(0.0002Re-0.0149)Rth+(-0.0274Re+3.3764)≦Δnd/Rthall≦(0.00006Re-0.0095)Rth+(-0.0182Re+3.2866)であり、前記白色光源で前記液晶表示素子を照明して、前記第1の透明基板の法線方向から観察した際の色度をx0、y0とし、前記第2の偏光板の吸収軸と45°をなす方位において、前記第1の透明基板の法線方向と50°をなす方向から観察した際の色度をx、yとするとき、x0-0.02≦x≦x0+0.02、かつ、y0-0.02≦y≦y0+0.02である液晶表示装置、が提供される。
良好な表示を実現することのできる液晶表示装置を容易に製造することができる。
シミュレーション対象とした液晶表示装置ないし実施例による液晶表示装置を示すダイアグラムである。 負の二軸フィルムの厚み方向リタデーションRthを110nmとし、面内リタデーションReを50nm,55nm,60nmとした場合に、所定の方向から観察したときの、液晶層のリタデーションΔndに対する、遮光状態における液晶表示装置の光透過率の変化を示すグラフである。 負の二軸フィルムの厚み方向リタデーションRthを125nmとし、面内リタデーションReを50nm,55nm,60nmとした場合に、所定の方向から観察したときの、液晶層のリタデーションΔndに対する、遮光状態における液晶表示装置の光透過率の変化を示すグラフである。 負の二軸フィルムの厚み方向リタデーションRthを130nmとし、面内リタデーションReを50nm,55nm,60nmとした場合に、所定の方向から観察したときの、液晶層のリタデーションΔndに対する、遮光状態における液晶表示装置の光透過率の変化を示すグラフである。 負の二軸フィルムの厚み方向リタデーションRthおよび面内リタデーションReを変化させたときの、許容される色度範囲の上限・下限等に対応する液晶層のリタデーションの限度値Rlcdをまとめたテーブルである。 負の二軸フィルムの面内リタデーションReを変化させたときの、厚さ方向リタデーションRthに対する、液晶層のリタデーションの限度値Rlcdと液晶層以外の構成の厚さ方向リタデーションの総和Rthallとの比率Rlcd/Rthallの変化を示す複数のグラフである。 実施例による液晶表示装置の視角特性を示す複数のグラフである。
図1に、シミュレーション対象とした液晶表示装置の構造を示す。本願発明者は、以下の構造を有する液晶表示装置について、視角特性に関するシミュレーション解析を行った。液晶表示装置(それを構成するガラス基板)の主面に平行な仮想平面を想定し、当該仮想平面内における任意の方向を基準(0°)とする方位角を設定する。
クロスニコル配置された上側(表側)偏光板(視角補償板付偏光板)14と下側(裏側)偏光板15との間に、モノドメイン垂直配向型液晶セル10が配置される。モノドメイン垂直配向型液晶セル10は、上側ガラス基板(透明基板)11、下側ガラス基板(透明基板)12、及び両基板11,12間に挟持されたモノドメイン垂直配向液晶層13を含んで構成される。上側及び下側ガラス基板11,12の液晶層13側の面には、たとえばITO(インジウム錫酸化物)で透明電極が形成されている。
液晶層13は、複屈折Δnがたとえば0.0914であるネガ型の液晶材料で構成されるものとする。液晶層13の厚みをdとすると、液晶層13のリタデーションはΔndと表すことができる。
また、液晶層13は、基板面を基準(0°)としたときのプレティルト角が89.5°に設定されたアンチパラレル配向構造を想定する。プレティルト角の方位は、液晶層13の厚さ方向の中央で上側及び下側偏光板14,15の吸収軸となす角度が45°である方位(図示の方位座標系において180°方位)とした。
上側偏光板(視角補償板付偏光板)14は、偏光層14aと負の二軸フィルム14bを含んで構成される。偏光層14aの吸収軸は135°方位とした。負の二軸フィルム14bは、ノルボルネン系環状オレフィンフィルムで形成し、その面内遅相軸方位は、最近傍の偏光層(偏光層14a)の吸収軸に直交するように、45°方位とした。なお、現状、一般に流通している負の二軸フィルムの厚さ方向リタデーションRthは110nm~150nm程度であり、面内リタデーションReは50nm~60nm程度である。
下側偏光板15は、偏光層15aとTAC(トリアセチルセルロース)フィルム15bを含んで構成される。偏光層15aの吸収軸は45°方位である。下側偏光板15のTACフィルム15bは、厚さ方向のリタデーションを約50nm、面内リタデーションを約3nmとし、面内遅相軸は偏光層15aの吸収軸に平行(45°方位)に配置されるとした。TACフィルム15bは、Cプレートとして機能することが知られている。
なお、上側偏光板(視角補償板付偏光板)14はTACフィルムを備えない。また、上側及び下側偏光板14、15の偏光層14a、15aは、(株)ポラテクノ製SKN18243Tを想定した。
液晶セル10および偏光板14,15を含む構成を液晶表示素子と呼ぶこととする。液晶表示装置は、液晶表示素子と光源とを含む構成である。下側偏光板15の下部に配置されるバックライト20の光源として、標準光源C(白色光源)を用いる。
本願発明者は、このような液晶表示装置において、負の二軸フィルム14bの厚さ方向リタデーションRthおよび面内リタデーションRe、ならびに、液晶層13のリタデーションΔndを変化させたときの、電圧無印加時(暗状態,遮光状態)における液晶表示装置の光透過率に関してシミュレーション解析を行った。シミュレーションには、(株)シンテック製の液晶表示器シミュレータLCD MASTER8を使用した。
図2~図4は、負の二軸フィルムのRth(110nm,125nm,130nm)各々において、Re(50nm,55nm,60nm)を変化させたときの、遮光状態(電圧無印加時)における光透過率のΔnd依存性を示すグラフである。グラフの横軸は、液晶層13のリタデーションΔndを単位「nm」で示し、縦軸は、270°方位,極角50°方向から観察した時の光透過率を単位「%」で示す。
負の二軸フィルムのパラメータが異なる液晶表示素子各々について、正面方向(主面の法線方向)から観察したときの色味(色度)を、xy色度図における座標(x,y)で表す。遮光状態において270°方位,極角50°方向から観察したときの色度座標(x,y)が、x-0.02≦x≦x+0.41、かつ、y-0.02≦y≦y+0.41、である場合には、色度変化が少ない(視角特性が良好である)ものと見なす。より具体的には、x-0.02≦x≦x+0.02、かつ、y-0.02≦y≦y+0.02、である場合には、色度変化が極めて少ないものと見なし、x+0.02≦x≦x+0.41、かつ、y+0.02≦y≦y+0.41、である場合には、色度変化が十分に少ないものと見なす。
図2~図4に示すグラフ内において、実線で示す曲線部分は、色度変化が極めて小さい範囲(x-0.02≦x≦x+0.02、かつ、y-0.02≦y≦y+0.02、の範囲)に対応する。すなわち、正面方向からの観察と比較して色変化・色付きが認識されず、比較的ニュートラルな光抜け状態(つまり白色光)が得られる範囲に対応する。
また、図2~図4に示すグラフ内において、破線で示す曲線部分(実際には、実線の一端部から破線の一端部までの範囲)は、色度変化が十分に小さい範囲(x+0.02≦x≦x+0.41、かつ、y+0.02≦y≦y+0.41、の範囲)に対応する。すなわち、正面方向からの観察と比較してわずかにブラウンに色変化する範囲に対応する。
図2~図4に示すグラフから、負の二軸フィルムの厚さ方向リタデーションRth(110nm,125nm,130nm)および面内リタデーションRe(50nm,55nm,60nm)のいずれの組み合わせであっても、十分に低い光透過率を実現していることがわかる。つまり、遮光状態において270°方位,極角50°方向から観察した場合の光抜けが、十分に抑制されることがわかる。また、液晶層のリタデーションΔndの広い範囲で、正面方向から観察した際の色味と、270°方位,極角50°方向から観察した際の色味と、の差異が小さいことがわかる。
図5に、正面方向からの観察と比較して、270°方位の極角50°方向から観察した際の色度変化が少ない(x-0.02≦x≦x+0.41となり、かつ、y-0.02≦y≦y+0.41となる)Δndの範囲をまとめる。負の二軸フィルムの厚さ方向リタデーションRth(110nm,125nm,130nm)および面内リタデーションRe(50nm,55nm,60nm)の各組合せにおいて、許容される色度範囲の限度値(閾値)となるΔndを、Rlcd1,Rlcd2,Rlcd3と表す。
すなわち、色度変化が極めて小さい(x-0.02≦x≦x+0.02となり、かつ、y-0.02≦y≦y+0.02となる)Δndの範囲は、Rlcd2≦Δnd≦Rlcd1となり、色度変化が十分に小さい(x+0.02<x≦x+0.41となり、かつ、y+0.02<y≦y+0.41となる)Δndの範囲は、Rlcd3≦Δnd<Rlcd2となる。なお、許容される色度範囲に対応するΔndは、Rlcd3≦Δnd≦Rlcd1の範囲となる。
図6は、負の二軸フィルムのReを変化させたときの、Rlcd1~3/Rthall各々のRth依存性を示すグラフである。Rthallは、液晶層以外の、偏光板および視角補償板の厚さ方向位相差の総和を表す。
Rlcd1~3/Rthall各々のグラフにおいて、面内リタデーションRe(50nm,55nm,60nm)ごとに、最小二乗法による線形フィッティングを行い、Rlcd1~3/Rthall=a×Rth+bの形式となる最適なパラメータa,b(a:線形関数の傾き、b:線形関数の切片)を見出す。さらに、パラメータa,bを面内リタデーションReの関数とみなして最小二乗法による線形フィッティングを行い、a=k×Re+lおよびb=m×Re+nの形式となる最適なパラメータk,l,m,nを見出す。
その結果、色変化が極めて小さい(x-0.02≦x≦x+0.02となり、かつ、y-0.02≦y≦y+0.02となる)Δnd/Rthallの範囲は、
Rlcd2/Rthall≦Δnd/Rthall≦Rlcd1/Rthall、
であり、すなわち、
(0.0002Re-0.0149)Rth+(-0.0274Re+3.3764)≦Δnd/Rthall≦(0.00006Re-0.0095)Rth+(-0.0182Re+3.2866)、
となる。
また、色変化が十分に小さい(x+0.02≦x≦x+0.41となり、かつ、y+0.02≦y≦y+0.41となる)Δnd/Rthallの範囲は、
Rlcd3/Rthall≦Δnd/Rthall<Rlcd2/Rthall、
であり、すなわち、
(-0.001Re+0.0582)Rth+(0.1332Re-6.3969)≦Δnd/Rthall≦(0.0002Re-0.0149)Rth+(-0.0274Re+3.3764)、
となる。
なお、負の二軸フィルムは、一般に流通しているもの、つまり、厚さ方向リタデーションRthが110nm≦Rth≦150nmの範囲であり、かつ、面内リタデーションReが50nm≦Re≦60nmの範囲であるものを用いることができる。なお、液晶層のリタデーションΔndは、164nm≦Δnd≦274nmの範囲内で有効である。このような条件にすれば、一般に流通している、入手しやすい負の二軸フィルムを用いることができ、容易に、視角特性が良好な液晶表示素子を製造することができる。
本発明者は、以上のシミュレーション結果を踏まえて、実際に、実施例による液晶表示装置を製造し、大塚電子製の評価装置LCD5200により、当該液晶表示装置の視角特性を評価した。液晶表示装置の光源は、標準光源Cとした。
図1を参照しながら、実施例による液晶表示装置の構成を説明する。一方の偏光板14(偏光板14aに負の二軸フィルム14bが接着したもの)にはポラテクノ製SHC13CL2Sを用い、他方の偏光板15にはポラテクノ製SHC13Uを用いた。負の二軸フィルム14bの厚さ方向リタデーションRthは120nmであり、面内リタデーションReは55nmである。
このような負の二軸フィルムを用いた場合(Rth=120nm,Re=55nm)、上述のシミュレーション結果により、液晶層のリタデーションΔndは、223.22nm≦Δnd≦262.07nmの範囲内であることが好ましい。実施例において、液晶層13のリタデーションΔndは、247nmとした。液晶層13には、複屈折Δnが0.0823である垂直配向型の液晶材料を用い、厚みdは約3μmとした。また、プレティルト角は、89.5°とした。
図7の上段に示すグラフは、左右方向(90°―270°方位、90°方位がマイナス側、270°方位がプラス側)において観察角度(極角)に対する、遮光状態における液晶表示装置の光透過率の変化を示すグラフである。グラフの横軸は、左右方向の観察角度(極角)を単位「°(deg)」で示し、縦軸は、遮光状態における液晶表示装置の光透過率を単位「%」で示す。たとえば観察角度が±50°であるとき、液晶表示装置の光透過率は0.4%以下となっており、実施例による液晶表示装置は、光抜けが十分に小さい。
図7の下段に示すグラフは、遮光状態において液晶表示装置から出射される光の分光スペクトルである。グラフの横軸は、出射光の波長を単位「nm」で示し、縦軸は、遮光状態における液晶表示装置の光透過率を単位「%」で示す。なお、グラフ中には、正面方向から観察された分光スペクトル、90°方位,極角50°から観察された分光スペクトル、および、270°方位,極角50°から観察された分光スペクトルが示されている。
正面方向から観察した場合、液晶表示装置からの出射光に波長の顕著な偏りはなく、ニュートラル色(白色光)が得られている。また、90°方位および270°方位(極角50°)から観察した場合、可視光領域全域で光抜けは相対的に大きくなるものの、良好なニュートラル色が得られている。液晶層のリタデーションΔnd(247nm)を、223.22nm≦Δnd≦262.07nmの範囲内に設定したことにより、良好な表示が実現できることが確認された。
以上、実施例に沿って本願を説明したが、これらは制限的なものではない。例えば材料、数値などは例示であって、これらに限るものではない。その他種々の変形、置換、改良等が可能なことは当業者に自明であろう。
10 モノドメイン垂直配向型液晶セル、
11 上側ガラス基板、
12 下側ガラス基板、
13 液晶層、
14 上側偏光板(視角補償板付偏光板)、
14a 偏光層、
14b 負の二軸フィルム、
15 下側偏光板、
15a 偏光層、
15b TACフィルム、
20 バックライト。

Claims (3)

  1. 液晶表示素子であって、
    第1及び第2の透明基板、
    前記第1及び第2の透明基板間に挟持され、垂直配向する液晶層であって、リタデーションΔndが、164nm≦Δnd≦274nmである、液晶層、
    前記第1の透明基板の前記液晶層とは反対側に配置された第1の偏光板、
    前記第2の透明基板の前記液晶層とは反対側に、前記第1の偏光板とクロスニコルに配置された第2の偏光板、および、
    前記第1の透明基板と前記第1の偏光板との間、または、前記第2の透明基板と前記第2の偏光板との間のどちらか一方に、面内遅相軸が、前記第1、第2の偏光板のうち、近接する偏光板の吸収軸に直交するように配置された、負の二軸光学異方性を有する視角補償板であって、面内方向のリタデーションReが、50nm≦Re≦60nmであり、厚み方向のリタデーションRthが、110nm≦Rth≦150nmである、視角補償板、
    を有する液晶表示素子と、
    前記第2の偏光板の、前記第2の透明基板とは反対側に配置された白色光源と、
    を備え、
    前記液晶表示素子における、前記液晶層のリタデーションΔndと前記液晶層以外の厚さ方向のリタデーションの総和Rthallとの比率が、(0.0002Re-0.0149)Rth+(-0.0274Re+3.3764)≦Δnd/Rthall≦(0.00006Re-0.0095)Rth+(-0.0182Re+3.2866)であり、
    前記白色光源で前記液晶表示素子を照明して、前記第1の透明基板の法線方向から観察した際の色度をx0、y0とし、前記第2の偏光板の吸収軸と45°をなす方位において、前記第1の透明基板の法線方向と50°をなす方向から観察した際の色度をx、yとするとき、x0-0.02≦x≦x0+0.02、かつ、y0-0.02≦y≦y0+0.02である液晶表示装置。
  2. 液晶表示素子であって、
    第1及び第2の透明基板、
    前記第1及び第2の透明基板間に挟持され、垂直配向する液晶層であって、リタデーションΔndが、164nm≦Δnd≦274nmである、液晶層、
    前記第1の透明基板の前記液晶層とは反対側に配置された第1の偏光板、
    前記第2の透明基板の前記液晶層とは反対側に、前記第1の偏光板とクロスニコルに配置された第2の偏光板、および、
    前記第1の透明基板と前記第1の偏光板との間、または、前記第2の透明基板と前記第2の偏光板との間のどちらか一方に、面内遅相軸が、前記第1、第2の偏光板のうち、近接する偏光板の吸収軸に直交するように配置された、負の二軸光学異方性を有する視角補償板であって、面内方向のリタデーションReが、50nm≦Re≦60nmであり、厚み方向のリタデーションRthが、110nm≦Rth≦150nmである、視角補償板、
    を有する液晶表示素子と、
    前記第2の偏光板の、前記第2の透明基板とは反対側に配置された白色光源と、
    を備え、
    前記液晶表示素子における、前記液晶層のリタデーションΔndと前記液晶層以外の厚さ方向のリタデーションの総和Rthallとの比率が、(-0.001Re+0.0582)Rth+(0.1332Re-6.3969)≦Δnd/Rthall≦(0.0002Re-0.0149)Rth+(-0.0274Re+3.3764)であり、
    前記白色光源で前記液晶表示素子を照明して、前記第1の透明基板の法線方向から観察した際の色度をx0、y0とし、前記第2の偏光板の吸収軸と45°をなす方位において、前記第1の透明基板の法線方向と50°をなす方向から観察した際の色度をx、yとするとき、x0+0.02<x≦x0+0.41、かつ、y0+0.02<y≦y0+0.41である液晶表示装置。
  3. 前記視角補償板は、前記第1または第2の偏光板のどちらか一方と一体化している請求項1または2記載の液晶表示装置。
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