JPH0713152A - 光学異方素子を用いた液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、正面コントラストを低下さ
せずに、表示コントラスト、階調表示及び表示色の視角
特性の改善された液晶表示素子を提供する。 【構成】 ２枚の電極基板間に液晶を挟持してなる液晶
セルと、その両側に配置された２枚の偏光素子と、該２
枚の偏光素子の間に２枚の光学異方素子を液晶セルを挟
んで配置した液晶表示素子において、該光学異方素子が
光学的に負の一軸性または一軸性に近い二軸性を示す薄
膜の積層体からなり、該光学異方素子は両面の光学軸の
方向が異なるねじれた構造を有し、該光学異方素子の液
晶セルに近い面の光学軸と該光学異方素子に近い液晶セ
ル基板面の黒表示時の液晶の光学軸とがなす角が３０°
以下であり、該光学異方素子の液晶セルに遠い面の光学
軸と液晶セル厚み方向中央部の黒表示時の液晶の光学軸
とがなす角が３０°以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表示コントラスト、階
調特性及び表示色の視角特性改良された液晶表示素子に
関する。

【０００２】

【従来の技術】日本語ワードプロセッサやディスクトッ
プパソコン等のＯＡ機器の表示装置の主流であるＣＲＴ
は、薄型軽量、低消費電力という大きな利点をもった液
晶表示素子に変換されてきている。現在普及している液
晶表示素子（以下ＬＣＤと称す）の多くは、ねじれネマ
ティック液晶を用いている。このような液晶を用いた表
示方式としては、複屈折モードと旋光モードとの２つの
方式に大別できる。

【０００３】複屈折モードを用いたＬＣＤは、液晶分子
配列のねじれ角９０°以上ねじれたもので、急崚な電気
光学特性をもつ為、能動素子（薄膜トランジスタやダイ
オード）が無くても単純なマトリクス状の電極構造でも
時分割駆動により大容量の表示が得られる。しかし、応
答速度が遅く（数百ミリ秒）、諧調表示が困難という欠
点を持ち、能動素子を用いた液晶表示素子（ＴＦＴ−Ｌ
ＣＤやＭＩＭ−ＬＣＤなど）の表示性能を越えるまでに
はいたらない。

【０００４】ＴＦＴ−ＬＣＤやＭＩＭ−ＬＣＤには、液
晶分子の配列状態がほぼ９０°ねじれた旋光モードの表
示方式（ＴＮ型液晶表示素子）が用いられている。この
表示方式は、応答速度が速く（数＋ミリ秒）、容易に白
黒表示が得られ、高い表示コントラストを示すことから
他の方式のＬＣＤと比較して最も有力な方式である。し
かし、ねじれネマティック液晶を用いている為に、表示
方式の原理上、見る方向によって表示色や表示コントラ
ストが変化するといった視角特性上の問題があり、ＣＲ
Ｔの表示性能を越えるまでにはいたらない。

【０００５】特開平４−２２９８２８号、特開平４−２
５８９２３号公報などに見られるように、一対の偏光板
とＴＮ液晶セルの間に、位相差フィルムを配置すること
によって視野角を拡大しようとする方法が提案されてい
る。

【０００６】上記特許公報で提案された位相差フィルム
は、液晶セルの表面に対して、垂直な方向に位相差がほ
ぼゼロのものであり、真正面からはなんら光学的な作用
を及ぼさず、傾けたときに位相差が発現し、液晶セルで
発現する位相差を補償しようというものである。しか
し、これらの方法によってもＬＣＤの視野角はまだ不十
分であり、更なる改良が望まれている。特に、車載用
や、ＣＲＴの代替として考えた場合には、現状の視野角
では全く対応できないのが実状である。

【０００７】また、特開平４−３６６８０８号、特開平
４−３６６８０９号公報では、光学軸が傾いたカイラル
ネマチック液晶を含む液晶セルを位相差フィルムとして
用いて視野角を改良する方法を提案しているが、２層液
晶方式となり、コストが高く、軽量化が困難であるとい
う問題点があった。さらに、特開平５−８０３２３号公
報に、光学軸が液晶セルに対して傾斜している位相差フ
ィルムを用いる方法が提案されているが、一軸性のポリ
カーボネートを斜めにスライスして用いるため、大面積
の位相差フィルムを低コストで得難いという問題点があ
った。

【０００８】液晶分子は、液晶分子の長軸方向と短軸方
向とに異なる屈折率を有することは一般に知られてい
る。この様な屈折率の異方性を示す液晶分子にある偏光
が入射すると、その偏光は液晶分子の角度に依存して偏
光状態が変化する。ねじれネマティック液晶は、液晶セ
ルの厚み方向に液晶分子の配列がねじれた構造を有して
いるが、液晶セル中を透過する光は、このねじれた配列
の液晶分子の個々の液晶分子の向きによって逐次偏光し
て伝搬する。従って、液晶セルに対し光が垂直に入射し
た場合と斜めに入射した場合とでは、液晶セル中を伝搬
する光の偏光状態は異なり、その結果、見る方向によっ
て表示のパターンが全く見えなくなったりするという現
象として現れ、実用上好ましくない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、液晶表示素
子において、正面コントラストを低下させずに、表示コ
ントラスト、階調特性及び表示色の視角特性の改善され
た液晶表示素子を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題は、以下の手段
により達成された。 （１） ２枚の電極基板間に液晶を挟持してなる液晶セ
ルと、その両側に配置された２枚の偏光素子と、該２枚
の偏光素子の間に２枚の光学異方素子を液晶セルを挟ん
で配置した液晶表示素子において、該光学異方素子が光
学的に負の一軸性または一軸性に近い二軸性を示す薄膜
の積層体からなり、該光学異方素子は両面の光学軸の方
向が異なるねじれた構造を有し、該光学異方素子の液晶
セルに近い面の光学軸と該光学異方素子に近い液晶セル
基板面の黒表示時の液晶の光学軸とがなす角が３０°以
下であり、該光学異方素子の液晶セルに遠い面の光学軸
と液晶セル厚み方向中央部の黒表示時の液晶の光学軸と
がなす角が３０°以下であることを特徴とする液晶表示
素子。 （２） 該２枚の光学異方素子の６３２．８ｎｍの光に
おけるレターデーションの和が−５０ｎｍ〜−１０００
ｎｍであることを特徴とする（１）記載の液晶表示素
子。 （３） 液晶セルがほぼ９０゜のねじれ角を有するＴＮ
型液晶を挟持したことを特徴とする（１）記載の液晶表
示素子。 （４） 該２枚の光学異方素子の６３２．８ｎｍの光に
おけるレターデーションの和が−５０ｎｍ〜−６００ｎ
ｍであることを特徴とする（３）記載の液晶表示素子。

【００１１】以下、図面を用いてＴＮ型液晶表示素子を
例にとり本発明の作用を説明する。図１、図２は、液晶
セルにしきい値電圧以上の電圧を印加した場合の液晶セ
ル中を伝搬する光の偏光状態を示したものであり、電圧
無印加時では明状態を示すものである。図１は、液晶セ
ルに光が垂直に入射した場合の光の偏光状態を示した図
である。自然光Ｌ０が偏光軸ＰＡをもつ偏光板Ａに垂直
に入射したとき、偏光板Ａを透過した光は、直線偏光Ｌ
１となる。

【００１２】図中ＬＣは、ＴＮ型液晶セルに十分に電圧
を印加した時の液晶分子の配列状態を、概略的に１つの
液晶分子モデルで示したものである。液晶セル中の液晶
分子ＬＣの分子長軸が光の進路と平行な場合、入射面
（光の進路に垂直な面内）での屈折率の差が生じないの
で、液晶セル中を伝搬する常光と異常光の位相差が生じ
ず直線偏光Ｌ１は液晶セルを透過すると直線偏光のまま
伝搬する。偏光板Ｂの偏光軸ＰＢを偏光板Ａの偏光軸Ｐ
Ａと垂直に設定すると、液晶セルを透過した光Ｌ２は偏
光板を透過することができず暗状態となる。

【００１３】図２は、液晶セルに光が斜めに入射した場
合の光の偏光状態を示した図である。入射光の自然光Ｌ
０が斜めに入射した場合、偏光板Ａを透過した偏光光Ｌ
１はほぼ直線偏光になる。（実際の場合、偏光板の特性
により楕円偏光になる）。この場合、液晶の屈折率異方
性により液晶セルの入射面において屈折率の差が生じ、
液晶セルを透過する光Ｌ２は楕円偏光して偏光板Ｂを透
過してしまう。この様な斜方入射における光の透過は、
コントラストの低下を招き好ましくない。

【００１４】本発明は、この様な斜方入射におけるコン
トラストの低下を防ぎ、視角特性を改善し、同時に、正
面のコントラストを改善しようとするものである。

【００１５】本発明によって、液晶表示素子の視角特性
を大幅に向上できたことについては以下のように推定し
ている。ＴＮ−ＬＣＤの多くは、ノーマルーホワイトモ
ードが採用されている。このモードにおいて、視角を大
きくすることに伴って、黒表示部からの光の透過率が著
しく増大し、結果としてコントラストの急激な低下を招
いていることになる。黒表示は電圧印加時の状態である
が、この時には、ＴＮ型液晶セルは、光学軸が、セルの
表面に対する法線方向から若干傾いた正の一軸性光学異
方体とみなすことができる。このわずかな光軸の傾斜に
よって真正面でも複屈折が生じるだけではなく、セルの
上下方向すなわち主視角方向で視野角の著しい非対称性
が生じ、上下どちらか一方または両方向の視野角が著し
く損なわれることになる。これは実際の現象と一致して
いる。

【００１６】液晶セルの光学軸が液晶セルの表面に対す
る法線方向から傾いている場合、光学軸が法線方向にあ
る光学異方体では、その補償が不十分であることが予想
される。また、液晶セルが正の光学異方体と見なせるの
であれば、それを補償するためには図３に示したように
負の一軸性光学異方体を用いるのが適している。また、
液晶セル中の液晶はねじれ配向しているために、本発明
に用いる光学異方素子もねじれ構造を有していることが
好ましい。このような理由から、本発明における光学軸
が法線方向から傾いた負の一軸性の積層体からなる光学
異方体によって大幅に視野角特性が改善されたものと推
定する。

【００１７】本発明の光学異方素子は光学的に負の一軸
性、または、一軸性に近い二軸性の光学異方体の積層体
である。光学的に負の一軸性であるとは、複屈折を生じ
ない方向である光学軸が１つしかなく、その光学軸方向
の屈折率が光学軸と直交した方向の屈折率より小さいも
のをいう。二軸性とは光学軸が２つあるものを指す。本
発明における一軸性に近い二軸性とは、２つの光学軸の
なす角が４０°以下である二軸性をいう。

【００１８】本発明に用いられる光学異方素子の薄膜の
１層の屈折率を模式的に示した図を図４に示す。図４に
示したように、波長６３２．８ｎｍの光に対する光学異
方素子の薄膜の１層の主屈折率をｎａ、ｎｂ、ｎｃとす
る。負の一軸性の場合、ｎａ＜ｎｂ＝ｎｃとなる。ｎａ
の方向が光学軸となる。

【００１９】本発明に用いられる光学異方素子は光学軸
の方向が異なる薄膜の積層体からなる。ここでいう積層
体とは、光学軸の方向が同一である薄膜を２枚以上積層
したものである。本発明においては、ねじれ構造を有し
たコレステリック液晶などのように連続的に光学軸の方
向が変化した無限枚の薄膜を積層したものと見なせるも
のも積層体に含まれる。

【００２０】本発明においては、このような光学異方素
子を２枚用いる。光学異方素子を１枚設けただけでは液
晶表示素子の視角特性はどうしても左右非対称となって
しまう。本発明のように光学異方素子を液晶セルを挟ん
で２枚設けることにより液晶表示素子の視角特性はほぼ
左右対称となる。視角特性はこのように左右対称となる
ことが好ましい。

【００２１】本発明に用いられる光学異方素子は、両面
の光学軸の方向が異なるねじれた構造を有している。本
発明においては、該光学異方素子を液晶表示素子に装着
した場合、該光学異方素子の液晶セルに最も近い薄膜の
光学軸と、該光学異方素子に近い方の液晶セル基板面の
黒表示時の液晶の配向方向とがなす角が３０°以下であ
る。更に、該光学異方素子の液晶セルに最も遠い薄膜の
光学軸と、液晶セル厚み方向中央部の黒表示時の液晶の
配向方向とがなす角が３０°以下である。本発明におい
ては、２枚の光学異方素子両方ともにこの条件を満た
す。液晶セル中の液晶はねじれ構造を有しているので、
本発明に用いられる光学異方素子は、液晶のねじれ構造
に対応した連続的なねじれ構造を有していることが好ま
しい。したがって、本発明に用いられる２枚の光学異方
素子のねじれ角の和は、液晶セル中の液晶のねじれ角に
ほぼ等しいことが好ましい。例えば、ねじれ角が２４０
°であるＳＴＮ型液晶セルにおいては、約２４０°、ね
じれ角が９０°であるＴＮ型液晶セルにおいては、約９
０°であることが好ましい。このように光学異方素子の
配向方向を制御することによって、液晶セルの複屈折性
の視角特性に起因した液晶表示素子の表示コントラス
ト、階調特性および表示色の視角特性はほぼ完全に補償
される。

【００２２】本発明におけるレターデーションとは、光
学異方素子の厚さをｄとしたとき、（ｎａ−ｎｂ）×ｄ
である。本発明における２枚の光学異方素子の６３２．
８ｎｍの光におけるレターデーションの和は−５０ｎｍ
〜−１０００ｎｍであることが好ましい。ＴＮ型液晶セ
ルを用いた場合には、−５０ｎｍ〜−６００ｎｍである
ことが好ましい。

【００２３】本発明に用いられる光学異方素子は、高分
子のフィルム、板状物、または、他の支持体上の塗布膜
として提供される。該光学異方素子の光の透過率は８０
％以上が好ましく、９０％以上が更に好ましい。

【００２４】本発明に用いられる光学異方素子に使用さ
れる高分子素材は特に制限はないが、ポリカーボネー
ト、ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエチレンテレ
フタレート、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンス
ルファイド、ポリフェニレンオキサイド、ポリアリルス
ルホン、ポリビニルアルコール、ポリアミド、ポリイミ
ド、ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、セルロース系重
合体、ポリアクリロニトリル、ポリスチレン、ポリメチ
ルメタクリレート、日本ゼオン製のポリオレフィン系素
材である商品名ゼオネックス２８０等、また、二元系、
三元系、各種重合体、グラフト共重合体、ブレンド物な
ど好適に利用される。また、正または負の固有複屈折を
有する低分子液晶を高分子マトリックス中に分散したシ
ートなどを使用しても構わない。

【００２５】また、本発明に用いられる光学異方性物質
として、光異性化物質を用いてもよい。光異性化物質と
は、光により立体異性化または構造異性化を起こすもの
であり、好ましくは、別の波長の光または熱によってそ
の逆異性化を起こすものである。これらの化合物の例と
しては、アゾベンゼン系化合物、ベンズアルドキシム系
化合物、アゾメチン系化合物、スチルベン系化合物、ス
ピロピラン系化合物、スピロオキサジン系化合物、フル
ギド系化合物、ジアリールエステン系化合物、ケイ皮酸
系化合物、レチナール系化合物、ヘミチオインジゴ系化
合物等が挙げられる。これらの光異性化物質はモノマー
でもポリマーでもよく、ポリマーの場合、光異性化基が
主鎖中にあっても側鎖中にあってもよい。

【００２６】また、本発明に用いられる光学異方性物質
として、液晶性化合物または液晶形成能を有する化合物
を用いてもよい。

【００２７】以下実施例によって詳細に説明する。

【実施例】スチレン換算重量平均分子量が約２万の光異
性化物質（下記の化合物、ｍ＝５０％、ｎ＝５０％）を
メチレンクロライドに溶解し、２重量％溶液とした。該
溶液をドクターブレードでガラス板上に塗設し、厚さ１
μｍのフィルムを得た。該フィルムを加熱しながら直線
偏光を照射し、光異性化物質を配向させた。このフィル
ムを角度を５°ずつずらして８枚積層し、光学異方素子
を得た。

【００２８】

【化１】

【００２９】得られた光学異方素子の６３２．８ｎｍの
光での主屈折率は、ｎａ＝１．６３０、ｎｂ＝ｎｃ＝
１．６１０であった。したがって、６３２．８ｎｍにお
けるレターデーションは１６０ｎｍである。したがっ
て、得られた光学異方素子を２枚使うとレターデーショ
ンの和は３６０ｎｍである。また、ｎｂはフィルム面と
平行であり、ｎａとフィルム法線方向とのなす角は２５
°、光学軸のねじれ角は４０°であった。

【００３０】一対の偏光素子の間に複屈折率０．１１０
のネマチック液晶が９０゜の捻れ角で、かつ、厚さ４．
５μｍのギャップサイズで挟み込まれた液晶セルと該偏
光素子の間に、上記のようにして得られた光学異方素子
を２枚液晶セルを挟んで装着した液晶表示素子（サンプ
ルＢ、Ｃ、Ｄ）と装着しない液晶表示素子（サンプル
Ａ）でコントラストの視角特性の評価を行った。光学異
方素子を装着した場合については、表１に示したように
光学異方素子の装着する角度を変化させた。ここで第１
の光学異方素子とは光源に近い方の光学異方素子を指
し、第２の光学異方素子とは光源から遠い方の光学異方
素子を指す。コントラストの視角特性の評価として、大
塚電子製ＬＣＤ−５０００にて２．０Ｖ／３．７Ｖの
（白／黒）コントラスト１０基準の全方位の視野角を測
定した。その結果を等コントラスト曲線として図５〜７
に示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】図５〜７から、本発明であるサンプルＢは
視角特性に優れていることがわかる。

【００３３】

【本発明の効果】本発明によれば、液晶表示素子の視角
特性が改善され、視認性にすぐれる高品位表示の液晶表
示素子を提供することができる。また、本発明をＴＦＴ
やＭＩＭなどの３端子、２端子素子を用いたアクティブ
マトリクス液晶表示素子に応用しても優れた効果が得ら
れることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＴＮ型液晶表示素子の構成図と表示面に
垂直に光が入射する場合の光の透過状態を説明する図で
ある。

【図２】従来のＴＮ型液晶表示素子の構成図と表示面に
斜めに光が入射する場合の光の透過状態を説明する図で
ある。

【図３】本発明によって視角特性が改善される原理を示
した模式図である。

【図４】本発明に用いる光学異方素子の薄膜の１層の主
屈折率を説明する図である。

【図５】サンプルＡのコントラスト１０基準の全方位の
視野角を説明する図である。

【図６】サンプルＢのコントラスト１０基準の全方位の
視野角を説明する図である。

【図７】サンプルＣのコントラスト１０基準の全方位の
視野角を説明する図である。

【図８】サンプルＤのコントラスト１０基準の全方位の
視野角を説明する図である。

【符号の説明】

Ａ、Ｂ…偏光板、ＰＡ、ＰＢ…偏光軸、Ｌ０…入射光、
Ｌ１…偏光板Ａを通過した直線偏光、Ｌ２…ＴＮ型液晶
セルを通過した偏光（主に楕円偏光）、ＬＣ…ＴＮ型液
晶セル内の液晶を説明したもの

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２枚の電極基板間に液晶を挟持してなる
   液晶セルと、その両側に配置された２枚の偏光素子と、
   該２枚の偏光素子の間に２枚の光学異方素子を液晶セル
   を挟んで配置した液晶表示素子において、該光学異方素
   子が光学的に負の一軸性または一軸性に近い二軸性を示
   す薄膜の積層体からなり、該光学異方素子は両面の光学
   軸の方向が異なるねじれた構造を有し、該光学異方素子
   の液晶セルに近い面の光学軸と該光学異方素子に近い液
   晶セル基板面の黒表示時の液晶の光学軸とがなす角が３
   ０°以下であり、該光学異方素子の液晶セルに遠い面の
   光学軸と液晶セル厚み方向中央部の黒表示時の液晶の光
   学軸とがなす角が３０°以下であることを特徴とする液
   晶表示素子。
2. 【請求項２】 該２枚の光学異方素子の６３２．８ｎｍ
   の光におけるレターデーションの和が−５０ｎｍ〜−１
   ０００ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の液晶
   表示素子。
3. 【請求項３】 液晶セルがほぼ９０゜のねじれ角を有す
   るＴＮ型液晶を挟持したことを特徴とする請求項１記載
   の液晶表示素子。
4. 【請求項４】 該２枚の光学異方素子の６３２．８ｎｍ
   の光におけるレターデーションの和が−５０ｎｍ〜−６
   ００ｎｍであることを特徴とする請求項３記載の液晶表
   示素子。