JPH0695104A

JPH0695104A - カラー液晶表示装置

Info

Publication number: JPH0695104A
Application number: JP4244666A
Authority: JP
Inventors: Emiko Oomori; エミ子大森; Nobuyoshi Sasaki; 宣宜佐々木; Takeshi Yamamoto; 毅山本
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 1992-09-14
Filing date: 1992-09-14
Publication date: 1994-04-08

Abstract

(57)【要約】【目的】液晶セルを光学的シャッタとして使用してカ
ラーフィルタにより着色する方式のカラー液晶表示装置
に関し、散乱の少なくないカラーフィルタを使用しても
コントラストが良く、視認角の広いしかも製造原価の低
いカラー液晶表示装置を提供することを目的とする。【構成】一対の基板とその間に挟持された液晶層を有
し、電圧を印加しない状態で液晶分子が基板の表面に垂
直に配向する液晶セルと、液晶セルの外側に配置された
一対の直交偏光子と、液晶セルの一方の側で偏光子の外
側に配置された光源と、液晶セルの光源側の基板上に配
置されたマイクロカラーフィルタと、液晶セルの光源か
ら離れた側の基板上に配置され、液晶層の光学異方性を
補償するため光学補償板とを有し、光源から離れた側か
ら視認する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はカラー液晶表示装置に関
し、特に液晶セルを光学的シャッタとして使用してカラ
ーフィルタにより着色する方式のカラー液晶表示装置に
係わる。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示装置によるカラー表示の方式に
は種々ある。従来の方式の一つとしてＥＣＢ（Electric
ally Controlled Birefringence ）方式いわゆる複屈折
制御方式がある。その１つの方式は電界により液晶の複
屈折を制御し、複屈折による干渉光により色を発生する
ものである。これに対し、液晶セルは光学的シャッタと
して機能させ、カラーフィルタにより着色を行う方式が
ある。

【０００３】図２に従来の技術によるカラー液晶表示装
置の断面構造を示す。このカラー液晶表示装置は液晶セ
ルを光学的シャッターとして動作させて、光源からの光
の透過率を制御し、カラーフィルタを着色に使用するも
のである。

【０００４】図２（Ａ）において、１ａ，１ｂは偏光板
で、それぞれ偏光子および検光子であり、各々の偏光軸
が互いに直交するように配置される。２ａ，２ｂは透明
なガラス基板であり、下側のガラス基板２ａの上には例
えばＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）のカラーフィルタ６
とブラックマスク７とが形成される。さらに、カラーフ
ィルタ６の上にはフィルタ層の凹凸をなくすために平滑
層９が形成されている。

【０００５】平滑層９と上側のガラス基板２ｂの上には
それぞれ液晶の駆動電極３ａ（共通電極），３ｂ（信号
電極）が透明なＩＴＯ（インジウム錫酸化膜）により形
成されている。

【０００６】さらに、ＩＴＯ駆動電極３ａ，３ｂの上に
は配向膜４ａ、４ｂが形成される。５は液晶分子であ
る。８は蛍光灯のような白色光源である。１０は駆動電
極間に電圧を与える液晶駆動回路である。１１は観測者
の位置を示す。

【０００７】電圧印加時には液晶分子５は図２の左半分
のように分子長軸方向が電界方向に配向し、直交偏光板
１ａ、１ｂによって光遮断状態となる。また電圧の無印
加時には液晶分子５は図２の右半分のように電極間で分
子長軸方向が基板に平行にかつねじれた状態で電極端同
士では互いに直交するように配向している。

【０００８】従って、この状態では偏光板１ａ、１ｂの
偏光軸方向と基板に接する液晶分子の方向が揃って光透
過状態となり、カラーフィルタ６を通った光が液晶セル
を透過してカラーフィルタ６の色を表示をする。

【０００９】図３は、ＥＣＢ方式の１つであるＣＳＨ
（カラースーパーホメオトロピック）液晶表示装置を示
す。図３（Ａ）は、電圧を印加しない状態を示し、図３
（Ｂ）は電圧を印加した状態を示す。

【００１０】なお、基板上の電極、カラーフィルタ等は
図示を省略する。図３（Ａ）において、一対の基板２
ａ、２ｂの間に、液晶分子５を含む液晶層が挟持されて
いる。さらに、この液晶セルの両側に直交する偏光軸を
有する偏光板１ａ、１ｂが配置されている。

【００１１】液晶分子５は、基板２ａ、２ｂの表面に対
して垂直に配向している。この状態においては、偏光板
１ａに入射する光は、直線偏光となり、そのまま基板２
ａ、液晶層５、基板２ｂを通過し、他方の直交する偏光
板１ｂによって遮光される。

【００１２】図３（Ｂ）は、液晶セルに電圧を印加した
状態を示す。液晶セルに電圧を印加すると、液晶分子５
は偏光板１ａ、１ｂに対してそれぞれ４５度の角度をな
す方向に傾く。

【００１３】すると、液晶層に複屈折性が現れ、液晶層
５に入射した直線偏光は偏光解消し、楕円偏光となる。
したがって、液晶層５を出射した光の一部は、他方の偏
光板１ｂを通過する。したがって、観察者は透過した光
を見ることができる。

【００１４】図３（Ｃ）は、このような液晶分子の傾斜
によって発生する光透過を赤、緑、青に分けて示す。横
軸は屈折率の異方性Δｎと液晶層の厚さｄの積Δｎｄを
示し、縦軸は透過率を示す。カラーフィルタを液晶の各
画素に対して配設することによって、カラー表示が可能
となる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】液晶表示装置の表示モ
ードは現在生産されているものの大部分はＴＮ（捩じれ
ネマティック）モードかＳＴＮ（超捩じれネマティッ
ク）モードである。このいずれのモードにおいても、カ
ラー表示の場合にはマイクロカラーフィルタを用いる。

【００１６】マイクロカラーフィルタの製造方法として
は、一般に染色法、電着法、顔料分散レジスト法、オフ
セット印刷法、スクリーン印刷法などがあるが、どの製
造方法で形成したとしても、カラーフィルタ自身では光
の散乱がある。上記製造方法のなかで比較的散乱が少な
いのは染色法によって形成したカラーフィルタである。
従って、染色法によるカラーフィルタが広く利用されて
きている。

【００１７】しかし、染色法はＲ，Ｇ，Ｂのカラーフィ
ルタを基板上に形成するのに３度のフォトリソグラフィ
ー工程が必要であるために、製造工程が長くなり、生産
性が悪く、製造コストが高くなる。

【００１８】また、ＳＴＮ液晶表示装置でカラー表示す
る場合には、ＳＴＮモードの本質的な性質である複屈折
による光の着色を抑えるために、図２（Ｂ）に示すよう
に、光学補償板か光学補償セル１２によって補償する必
要がある。

【００１９】図２（Ｂ）において、直交偏光子１ａ、１
ｂの間にＳＴＮ液晶層５と光学補償板１２が配置されて
いる。ＳＴＮ液晶層５は図示のような光学異方性を有
し、光学補償板１２はＳＴＮ液晶層５の光学異方性を補
償してなるべく等方的にする光学異方性を有する。

【００２０】しかし、ＳＴＮ液晶５は本質的に図に示す
ように楕円偏光を生じるために光学補償板１２によって
は完全に補償することは不可能である。従って、ある視
認角度では光が漏れ正常な着色を阻害する場合があり、
全ての視認方向に対して完全な消光は困難である。

【００２１】そのために、少しでもより完全な消光を得
るためには散乱の無いカラーフィルタが要求されるか、
あるいは散乱があってもその影響の無い表示装置が要求
される。

【００２２】本発明の目的は、散乱の少なくないカラー
フィルタを使用してもコントラストが良く、視認角の広
いしかも製造原価の低いカラー液晶表示装置を提供する
ことにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明によるカラー液晶
表示装置は、一対の基板とその間に挟持された液晶層を
有し、電圧を印加しない状態で液晶分子が基板の表面に
垂直に配向する液晶セルと、液晶セルの外側に配置され
た一対の直交偏光子と、液晶セルの一方の側で偏光子の
外側に配置された光源と、液晶セルの光源側の基板上に
配置されたマイクロカラーフィルタと、液晶セルの光源
から離れた側の基板上に配置され、液晶層の光学異方性
を補償するため光学補償板とを有し、光源から離れた側
から視認する。

【００２４】

【作用】光源側の基板上にカラーフィルタを配設したこ
とにより、カラーフィルタにおける光の散乱の影響が少
なくなって漏れ光成分が低く抑えられ、高いコントラス
トが得られる。

【００２５】また、光源から離れた側の基板上に光学補
償板を配設することにより、高いコントラストを保った
まま、広い視認角も得られる。

【００２６】

【実施例】以下、図を参照して本発明の実施例について
説明する。なお、本実施例の液晶は、無電界状態では、
液晶セルの内側の界面の法線（垂直線）に対して液晶分
子の長軸が平行に配向したいわゆる垂直（ホメオトロピ
ック）配向であり、その電気的性質は、電界印加時に電
界方向に対し直交する方向に液晶分子の長軸が傾こうと
する性質を持つネマティック液晶材料（以下Ｎｎ液晶と
称する）を使用している。また、液晶セルは電子シャッ
ターの役目をし、カラーフィルタによって着色する方式
である。

【００２７】また、本実施例ではＥＣＢ形液晶に光学補
償を行ったＣＳＨ（Color Super Homeotropic ）の場合
について説明する。この液晶セルは高マルチプレックス
駆動による高情報量ディスプレイに最適である。

【００２８】電圧の印加により入射光に対する液晶の複
屈折を誘起し、複屈折の波長分散の起こらない閾値付近
から第１ピークまでの急峻な電気光学特性を用いること
により高情報量カラーディスプレイを実現する。

【００２９】図１に本発明の実施例によるカラー液晶表
示装置の基本断面構造を示す。本実施例においては図示
のように液晶セル内部にカラーフィルタを配置している
が、必ずしも内部でなく、外部に配置してもよい。ま
た、光学補償板は基板の外側に配置しているが、可能な
ら内側に配置してもよい。なお、図において図２、３と
同じ参照番号のものは基本的に同じ機能の部材を示す。

【００３０】図１（Ａ）において、１ａ，１ｂは偏光板
で、それぞれ偏光子および検光子であり、各々の偏光軸
が互いに直交するように配置される。２ａ，２ｂは透明
なガラス基板であり、下側のガラス基板２ａの上にはＩ
ＴＯによる駆動電極３ａとブラックマスク７が形成され
る。

【００３１】さらに駆動電極３ａの上にＲ（赤），Ｇ
（緑），Ｂ（青）からなるカラーフィルタ６と同じくＩ
ＴＯによる駆動電極３ａ（信号電極）とが積層形成され
る。上側のガラス基板２ｂの内側表面上にはもう一方の
駆動電極３ｂ（共通電極）がＩＴＯにより形成されてい
る。さらに、ＩＴＯ駆動電極３ａ，３ｂの上にはポリイ
ミド等の配向膜４ａ、４ｂが形成される。５は液晶分子
である。８は蛍光灯のような白色光源である。

【００３２】電圧無印加時には液晶分子５は図１（Ａ）
のように分子長軸方向が基板２ａ、２ｂの表面と垂直と
なり、偏光子１ａを透過した直線偏光は大部分そのまま
検光子１ｂに達し、光遮断状態となる。また電圧の印加
時には液晶分子５は両偏光軸に対して４５度の方向に傾
く。

【００３３】傾いた液晶分子によって入射光に対する複
屈折性が現れ、偏光解消が生じて検光子１ｂを通る光成
分が生じる。このため、光透過状態となり、カラーフィ
ルタ６を通った光が液晶セルを透過してカラーフィルタ
６の色を表示する。

【００３４】図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の液晶表示装置
の光学モデルを示す。直交偏光子１ａ、１ｂの間に正の
光学異方性を有する液晶層５と負の光学異方性を有する
光学補償板１２が配置されている。カラーフィルタは基
本的に偏光には影響を与えないので図示を省略してい
る。

【００３５】本発明者らは、以下に述べる研究、解析に
より、図１に示す配置をとった時に他の配置と比べ、コ
ントラストが高く、広い視認角が得られることを解明し
た。光散乱性のあるカラーフィルタ、ブラックマスク等
を用いた液晶表示装置においては、カラーフィルタ、ブ
ラックマスク等を配置する位置によってオフ時の光透過
率が異なることが判った。この現象を、図４を参照して
説明する。

【００３６】図４においては、簡単化のため、光学補償
板は用いず、液晶セルにカラーフィルタとブラックマス
クを配置し、その位置によって生じるオフ時の光透過率
の差を調べた。

【００３７】図４（Ａ）において、一対のガラス基板２
ａ、２ｂの間にホメオトロピック液晶層５が挟まれてい
る。ガラス基板２ａの内側表面上には、ＩＴＯ電極３ａ
を備えたカラーフィルタ６が配置されている。また、各
色のカラーフィルタの間には、ブラックマスク７が形成
されている。カラーフィルタ６およびブラックマスク７
の表面上は、配向膜４ａが覆っている。

【００３８】他方のガラス基板３ｂの内側表面上には、
ＩＴＯ電極３ｂとその上の配向膜４ｂが形成されてい
る。また、両ガラス基板２ａ、２ｂの外側表面上には、
一対の直交する偏光板１ａ、１ｂが配置されている。蛍
光灯等の光源８は、図中下側基板２ａの下に配置され、
観察者１１は液晶表示装置を上側から観察する。

【００３９】図４（Ｂ）の構成は、図４（Ａ）の構成に
おける光源８と観察者１１の位置を反転したものに相当
する。すなわち、図４（Ａ）のものではカラーフィルタ
６は光源８に近い側の基板に配置され、図４（Ｂ）では
カラーフィルタ６は観測者１１に近い側の基板に配置さ
れる。図４（Ｂ）の構造についてはその違い以外は基本
的に図４（Ａ）のものと同じであるので、その説明は省
略する。

【００４０】図４（Ａ）の液晶セル（サンプルＰ）と図
４（Ｂ）の液晶セル（サンプルＱ）で下記の条件によっ
てコントラスト比と透過率とを測定実験した結果を表１
に示す。

【００４１】マルチプレックス駆動条件デューティ比：１／２４０ＤＵＴＹバイアス比：１／１６．５駆動電圧：３６Ｖセル仕様信号ライン数：６４０×ＲＧＢ＝１９２０本走査ライン数：４８０本セル厚：６μｍなお、表１のコントラスト比は以下の式で定義した。

【００４２】コントラスト比＝ＯＮ電圧の時の輝度÷Ｏ
ＦＦ電圧の時の輝度（観察方向は表示面に対して法線方
向）また、透過率Ｔ0 は電圧無印加（オフ）状態の透過率で
ある（観察方向は表示面に対して法線方向）。

【００４３】

【表１】表１の結果から、カラーフィルタを光源側に配置した図
４（Ａ）の構造の方がカラーフィルタを観察者側に配置
した図４（Ｂ）の構造よりもコントラスト比が高いこと
が判る。その理由は、カラーフィルタおよびブラックマ
スクの散乱によって光透過率Ｔ０に違いが生じるためで
あると考えられる。

【００４４】図４（Ａ）の構造においては、カラーフィ
ルタ６およびブラックマスク７で光散乱が生じる。散乱
した光は、液晶層５に入射し、楕円偏光となって上方の
偏光板１ｂに入射し、観察者１１側に出射する。しかし
ながら、観察者１１が基板２ｂの法線方向にいる場合、
散乱によって生じた斜め出射光は観察者１１に達せず、
観察されない。

【００４５】従って、観察者が基板法線方向から液晶表
示装置を観察する場合、図４（Ａ）の構成においては、
カラーフィルタ６、ブラックマスク７の与える光散乱の
影響が少ない。

【００４６】図４（Ｂ）の構成においては、偏光子とし
て機能する偏光板１ａを通って液晶層５に入射した光の
うち、斜め方向に入射する光は、液晶層５の複屈折性に
よって偏光解消を受ける。偏光解消によって楕円偏光等
となった光がカラーフィルタ６、ブラックマスク７に斜
めに入射し、光散乱を受けると、ガラス基板２ｂの法線
方向に進む光が生じる。

【００４７】この光は、偏光解消されているため、検光
子として機能する偏光板１ｂを透過し、観察者１１に到
達する。従って、図４（Ｂ）の構成においては、オフ時
に直交偏光板を透過して観察者に到達する光成分が増加
する。このため、透過率Ｔ0が増大し、コントラスト比
を悪化させるものと考えられる。

【００４８】以上の結果から、光散乱の原因となるカラ
ーフィルタおよびブラックマスクは、入射光が液晶層に
到達する前に配置することが好ましいと考えられる。な
お、電気的制御複屈折性を有するＣＳＨ−ＬＣＤにおい
ては、液晶層で生じる複屈折性を補償するために、光学
補償板を用いるのが通常である。光学補償板１２の使用
により、図１（Ｂ）に示すような光学モデルを形成し、
視認角の向上を図る。

【００４９】カラーフィルタと光学補償板を用いる場
合、その配置は大きく分けて、両者とも観察者側に配置
する、両者とも光源側に配置する、カラーフィルタを光
源側に配置して光学補償板を観察者側に配置する、光学
補償板を光源側に配置してカラーフィルタを観察者側に
配置する、の４通りが考えられる。これら４つの配置
を、図５、図６のサンプルＡ〜Ｄに示す。

【００５０】なお、この４つの配置を表２にまとめて示
す。

【００５１】

【表２】まず、サンプルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおいて、法線方向から
観察した場合のコントラスト比とオフ時の透過率Ｔ0 を
測定した。その結果を、表３に示す。

【００５２】

【表３】カラーフィルタに加え、光学補償板を配置すると、コン
トラスト比および透過率Ｔ０に関しては、必ずしも図４
の結果と一致しないことが判る。しかしながら、最も良
い結果を与えたサンプルＣは、光源側にカラーフィルタ
を配置したものであり、図４の結果と共通性を有してい
る。

【００５３】サンプルＢは、光源側にカラーフィルタを
配置しており、図４の結果からは良いコントラスト比お
よび透過率Ｔ０を与えても良いように思われる。しかし
ながら、この配置においては、偏光板１ａに続いて、光
学補償板１２が配置されており、光学補償板１２に斜め
入射する光は、ここで偏光解消を受けてしまう。この影
響が高いＴ０の値に現れているものと考えられる。

【００５４】光学補償板１２が光源側にある点に関して
は、サンプルＤも同様であり、両者を比較するとサンプ
ルＤのほうが良い結果を与えている。サンプルＤにおい
ては、光学補償板１２が液晶層５に隣接しており、光学
補償板と液晶層の光学異方性が互いに補償するものと思
われる。従って、斜め入射光による悪影響が減少してい
るものと考えられる。この点から、光学補償板は光散乱
源を介在させず、液晶層に隣接させることが好ましいも
のと考えられる。

【００５５】なお、光学補償板の使用はそもそも視認角
の向上を目的とするものであるので、次にコントラスト
の角度依存性を測定した。視認角の最も広い（コントラ
スト比の角度依存性が最も小さい）方向を角度０度と
し、０度、４５度、９０度の３つの方向におけるコント
ラスト比の角度依存性を図７〜９に示す。図中、横軸は
法線方向からの角度を示し、縦軸はコントラスト被を示
す。

【００５６】各図において、角度０度の場合には、当然
ながら光学補償板を用いず、カラーフィルタを光源側に
配置したサンプルＰの特性ｐが最も良いコントラスト比
を示している。

【００５７】しかしながら、コントラスト比ｐは角度の
増大と共に急激に低下し、代わってサンプルＣの特性ｃ
が最も良い結果を与えている。従って、ある程度以上の
視認角が必要な用途に対しては、以上説明した配置にお
いては、サンプルＣの配置が最もコントラスト比が高
く、視認角が広い良好な配置といえる。

【００５８】この結果は、以下のように解釈することが
できる。光学補償板は液晶層になるべく近接して配置す
るのが好ましい。液晶層と光学補償板の間に光散乱源を
挟まないことにより、液晶層の光学補償性が効果的に光
学補償板によって補償されるものと考えられる。

【００５９】また、カラーフィルタは観察者側に配置す
ると、本来観測されるべきでない光も観察者に向けて散
乱する可能性があるため、光源側に配置することが好ま
しい。このような両条件を備えた配置がサンプルＣの配
置であると考えられる。

【００６０】念の為、光学補償板を両基板外側に配置す
るサンプル構成も調べた。図１０にこれらのサンプルの
構成を示す。図１０（Ａ）においては、光源８側にカラ
ーフィルタ６、ブラックマスク７を配置し、両ガラス基
板２ａ、２ｂ外側に一対の光学補償板１２ａ、１２ｂを
配置した。

【００６１】図１０（Ｂ）においては、観察者側にカラ
ーフィルタ６、ブラックマスク７を配置し、両ガラス基
板２ａ、２ｂ外側に光学補償板１２ａ、１２ｂを配置し
た。これらのサンプルＥ、Ｆにおいて、コントラスト比
と透過率Ｔ０を法線方向で測定したところ、表４の結果
を得た。

【００６２】

【表４】表３、４から明らかなように、サンプルＥ、Ｆで得られ
たコントラスト比は、サンプルＡ〜Ｄのいずれのサンプ
ルよりも悪いものであった。したがって、以上検討した
各配置に対しては、サンプルＣの配置が最良の配置であ
ることが判る。

【００６３】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高いコントラスト比と広い視認角を有するカラー液晶表
示装置が特別の付加部品を必要とすることなく提供され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるカラー液晶表示装置を示
す。図１（Ａ）は構成を示す概略断面図、図１（Ｂ）は
光学モデルを示す線図である。

【図２】従来の技術によるカラー液晶表示装置を示す。
図２（Ａ）は構成を示す概略断面図、図２（Ｂ）は光学
モデルを示す線図である。

【図３】カラースーパーホメオトロピック液晶表示装置
を説明するための図である。図３（Ａ）、（Ｂ）は、電
圧を印加しない時、電圧を印加した時の液晶表示装置の
機能を説明するための概念図、図３（Ｃ）は得られるリ
ターデーションと透過率の関係を示すグラフである。

【図４】参考例の構成を示す概略断面図である。

【図５】サンプルの構成を示す概略断面図である。

【図６】サンプルの構成を示す概略断面図である。

【図７】サンプルから得られたコントラスト比の角度依
存性を示すグラフである。

【図８】サンプルから得られたコントラスト比の角度依
存性を示すグラフである。

【図９】サンプルから得られたコントラスト比の角度依
存性を示すグラフである。

【図１０】他のサンプルの構成を示す概略断面図であ
る。

【符号の説明】

１偏光板２ガラス基板３ＩＴＯ電極４配向膜５液晶分子（液晶層）６カラーフィルタ７ブラックマスク８光源９平滑層１２光学補償板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の基板とその間に挟持された液晶層
を有し、電圧を印加しない状態で液晶分子が基板の表面
に垂直に配向する液晶セルと、液晶セルの外側に配置された一対の直交偏光子と、液晶セルの一方の側で偏光子の外側に配置された光源
と、液晶セルの光源側の基板上に配置されたマイクロカラー
フィルタと、液晶セルの光源から離れた側の基板上に配置され、液晶
層の光学異方性を補償するため光学補償板とを有し、光
源から離れた側から視認するカラー液晶表示装置。
【請求項２】前記マイクロカラーフィルタが基板と液
晶層との間に配置されている請求項１記載のカラー液晶
表示装置。
【請求項３】前記光学補償板が基板の外側表面上に配
置されている請求項１または２記載のカラー液晶表示装
置。