JP2009003432A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広視野角化が可能なＯＣＢモードを適用した液晶表示装置を提供すること。
【解決手段】マトリクス状に配置された複数の画素のそれぞれに反射部及び透過部を有する液晶表示装置において、
一対の基板間に液晶層を保持した構成のＯＣＢモードを適用した液晶表示パネル１と、
液晶表示パネルのそれぞれの外面に配置され、液晶層に電圧を印加した所定の表示状態において、液晶層のリタデーションを光学的に補償する一対の光学素子４０、５０と、を備え、
光学素子４０、５０は、
偏光板ＰＬと、偏光板ＰＬと液晶表示パネル１との間に配置され１／４波長の位相差を与える第１位相差板Ｒ１と、を有する円偏光素子Ｃと、
円偏光素子と液晶層との間に配置され、主軸が法線に対して傾いた屈折率異方性を有する第２位相差板Ｒ２と、
を備えて構成され、さらに、その厚み方向に位相差を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、液晶表示装置に係り、特に、視野角の拡大及び応答速度の高速化の実現が可能な光学的補償ベンド（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｅｎｄ；ＯＣＢ）配向技術を用いた半透過型の液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、軽量、薄型、低消費電力などの特徴を生かして、各種分野に適用されている。

近年、視野角及び応答速度を改善可能な液晶表示装置として、ＯＣＢモードを適用した液晶表示装置が注目されている。このようなＯＣＢモードの液晶表示装置は、一対の基板間に所定の電圧を印加した状態でベンド配向した液晶分子を含む液晶層を保持した構成である。このようなＯＣＢモードは、ツイステッド・ネマティック（ＴＮ）モードと比較して応答速度の高速化が可能であり、さらに液晶分子の配向状態により液晶層を通過する光の複屈折の影響を光学的に自己補償できるため視野角の拡大が可能であるという利点がある。

また、近年、反射部と透過部とを有する半透過型の液晶表示装置において、ＯＣＢモードを適用した液晶表示装置が開発されている。例えば、特許文献１などによれば、ＯＣＢモードの半透過型液晶表示装置に適用可能な円偏光板が開示されている。この円偏光板は、偏光板と、光学異方素子としてネマチックハイブリッド配向構造を固定化した液晶フィルムとを含んで構成されている。
特開２００５−１６４９５７号公報

しかしながら、現状において、ＯＣＢモード特有の光学設計を行った場合に適用される円偏光板の最適化については、十分に議論されておらず、特に、透過表示を行った場合の高コントラスト比（例えばＣＲ＝１０：１以上）が得られる視野角が狭いといった課題がある。

この発明の目的は、広視野角化が可能なＯＣＢモードを適用した半透過型の液晶表示装置を提供することにある。

この発明の態様による液晶表示装置は、
マトリクス状に配置された複数の画素のそれぞれに反射部及び透過部を有する液晶表示装置において、
一対の基板間に液晶層を保持した構成のＯＣＢモードを適用した液晶表示パネルと、
前記液晶表示パネルのそれぞれの外面に配置され、前記液晶層に電圧を印加した所定の表示状態において、前記液晶層のリタデーションを光学的に補償する一対の光学素子と、を備え、
前記光学素子は、
偏光板と、前記偏光板と前記液晶表示パネルとの間に配置され１／４波長の位相差を与える第１位相差板と、を有する円偏光素子と、
前記円偏光素子と前記液晶層との間に配置され、主軸が法線に対して傾いた屈折率異方性を有する第２位相差板と、
を備えて構成され、さらに、その厚み方向に位相差を有することを特徴とする。

この発明によれば、広視野角化が可能なＯＣＢモードを適用した半透過型の液晶表示装置を提供することができる。

以下、この発明の一実施の形態に係る液晶表示装置について図面を参照して説明する。なお、ここでは、液晶表示装置として、１画素内にバックライト光を選択的に透過することによって画像を表示する透過部及び外光を選択的に反射することによって画像を表示する反射部を備えて構成されたＯＣＢモードを適用した半透過型液晶表示装置について説明する。

図１に示すように、液晶表示装置は、ＯＣＢモードを適用した液晶表示パネル１と、液晶表示パネル１のそれぞれの外面に配置された一対の光学素子すなわち第１光学素子４０及び第２光学素子５０と、を備えて構成されている。また、液晶表示装置は、液晶表示パネル１を第１光学素子４０側から照明するバックライト６０を備えている。つまり、第１光学素子４０は、液晶表示パネル１とバックライト６０との間に配置されている。

図２及び図３に示すように、液晶表示パネル１は、一対の基板すなわちアレイ基板（第１光学素子４０と対向する基板）１０と対向基板（第２光学素子５０と対向する基板、あるいは、視認側基板）２０との間に液晶層３０を保持した構成であり、画像を表示するアクティブエリアＤＳＰを備えている。このアクティブエリアＤＳＰは、略矩形状であり、マトリクス状に配置された複数の画素ＰＸによって構成されている。

画素ＰＸのそれぞれは、反射表示モードにおいて外光を選択的に反射することによって画像を表示する反射部ＰＲと、透過表示モードにおいてバックライト６０からのバックライト光を選択的に透過することによって画像を表示する透過部ＰＴと、を有している。

アレイ基板１０は、ガラスなどの光透過性を有する絶縁基板１１を用いて形成されている。このアレイ基板１０は、絶縁基板１１の一方の主面すなわち液晶層３０と対向する面に、画素ＰＸの行方向に沿って延在するように配置された複数の走査線Ｓｃ、画素ＰＸの列方向に沿って延在するように配置された複数の信号線Ｓｇ、走査線Ｓｃと信号線Ｓｇとの交差部近傍において画素ＰＸ毎に配置されたスイッチ素子１２、スイッチ素子１２に接続され画素ＰＸ毎に配置された画素電極１３、画素電極１３を覆うように配置された配向膜１６などを備えている。

走査線Ｓｃ及び信号線Ｓｇは、絶縁膜を介して交差するように配置されている。

スイッチ素子１２は、例えば薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＴＦＴ）などによって構成されている。このスイッチ素子１２は、ポリシリコン、アモルファスシリコンなどによって形成された半導体層を有している。スイッチ素子１２のゲートは、対応する走査線Ｓｃと電気的に接続されている（または対応する走査線と一体に形成されている）。また、スイッチ素子１２のソースは、対応する信号線Ｓｇと電気的に接続されている（または対応する信号線と一体に形成されている）。

画素電極１３は、絶縁膜１４上に配置されている。絶縁膜１４は、反射部ＰＲと透過部ＰＴとでの液晶層３のギャップ差を形成する。各画素電極１３は、反射部ＰＲに対応して設けられた反射電極１３Ｒ及び透過部ＰＴに対応して設けられた透過電極１３Ｔを有している。反射電極１３Ｒは、アルミニウムなどの光反射性を有する導電材料によって形成されている。透過電極１３Ｔは、インジウム・ティン・オキサイド（ＩＴＯ）などの光透過性を有する導電材料によって形成されている。これらの反射電極１３Ｒ及び透過電極１３Ｔは、スイッチ素子１２のドレインと電気的に接続されている。

対向基板２０は、ガラスなどの光透過性を有する絶縁基板２１を用いて形成されている。この対向基板２０は、絶縁基板２１の一方の主面すなわち液晶層３０と対向する面に、複数の画素ＰＸの画素電極１３と対向するように配置された対向電極２２、対向電極２２を覆うように配置された配向膜２３などを備えている。対向電極２２は、例えばＩＴＯなどの光透過性を有する導電材料によって形成されている。

上述したような構成のアレイ基板１０と対向基板２０とは、それぞれの配向膜１６及び２３が対向するように図示しないスペーサ（例えば、一方の基板に一体的に形成された柱状スペーサ）を介して互いに所定のギャップを維持した状態で配置され、シール材によって貼り合わせられている。液晶層３０は、これらのアレイ基板１０と対向基板２０との間のギャップに封入されている。

この実施の形態では、液晶表示パネル１は、ＯＣＢモードを適用した構成であり、液晶層３０は、正の誘電率異方性を有するとともに光学的に正の一軸性を有する液晶分子３１を含む液晶材料によって構成されている。この液晶層３０においては、液晶層３０に電圧を印加した所定の表示状態において、アレイ基板１０と対向基板２０との間で液晶分子３１がベンド配向しており、図３に示した例では、透過部ＰＴ及び反射部ＰＲにおいて、液晶分子３１がベンド配向している。

特に、ＯＣＢモードを適用した液晶表示パネル１においては、図４に示すように、反射部ＰＲにおけるセルギャップｄＲは、透過部のセルギャップｄＴの１／２未満、つまり、
ｄＲ＜ｄＴ／２
に設定されている。ここで、セルギャップとは、実質的にアレイ基板１０の配向膜１６と対向基板２０の配向膜２３との間の液晶層３０の厚みに相当する。

すなわち、配向膜及び液晶層は、ともに画素電極１３と対向電極２２との間に配置された誘電体である。ＯＣＢモードに適用される液晶材料は、比較的比誘電率（ε）が高く、例えば１４以上となる。このため、透過部ＰＴの液晶層に所定の電圧が印加されるように画素電極１３と対向電極２２との間に電圧を印加したとき、液晶層３０の容量Ｃ３０に対して、配向膜１６の容量Ｃ１６及び配向膜２３の容量Ｃ２３の寄与度が高いため、反射部ＰＲのセルギャップｄＲを透過部ＰＴのセルギャップｄＴの１／２に設定した場合には、反射部ＰＲの液晶層３０には必要十分な電圧を印加できない。このため、反射部ＰＲのセルギャップｄＲを透過部ＰＴのセルギャップｄＴの１／２より小さく設定し、反射部ＰＲでの液晶層３０に分配される電圧の割合を高めることが重要である。つまり、反射部ＰＲのセルギャップｄＲは、反射部ＰＲの液晶層３０に十分な電圧が印加できるような値に設定されている。

この実施の形態では、透過部ＰＴのセルギャップｄＴは４．６５μｍであり、反射部ＰＲのセルギャップｄＲはセルギャップｄＴの１／２よりも小さい２．１μｍである。

《第１実施形態》
まず、第１実施形態に係る液晶表示装置について説明する。この第１実施形態においては、第１光学素子４０及び第２光学素子５０は、上述したような液晶表示パネル１における液晶層３０に電圧を印加した所定の表示状態において、液晶層３０のリタデーションを光学的に補償する機能を有している。また、これらの第１光学素子４０及び第２光学素子５０は、その厚み方向に位相差を有するように構成されている。

図１に示すように、第１光学素子４０はアレイ基板１０の外面に配置され、また、第２光学素子５０は対向基板２０の外面に配置されている。これらの第１光学素子４０及び第２光学素子５０は、同一構成である。つまり、第１光学素子４０及び第２光学素子５０は、それぞれ偏光板ＰＬ及び第１位相差板Ｒ１を有する円偏光素子Ｃ、第２位相差板Ｒ２、及び、第３位相差板Ｒ３を備えて構成されている。また、これらの第１光学素子４０及び第２光学素子５０は、液晶表示パネル１について対称の構成である。つまり、第１光学素子４０及び第２光学素子５０においては、液晶表示パネル１側から第２位相差板Ｒ２、第３位相差板Ｒ３、第１位相差板Ｒ１、偏光板ＰＬがこの順に積層されている。

偏光板ＰＬは、例えば、トリアセテート・セルロース（ＴＡＣ）などによって形成された一対の支持層の間にポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などによって形成された偏光層を保持した構成であり、その面内において互いにほぼ直交する透過軸及び吸収軸を有している。

第１位相差板Ｒ１は、偏光板ＰＬと液晶表示パネル１との間に配置され、その面内において互いにほぼ直交する進相軸及び遅相軸を有している。この第１位相差板Ｒ１は、進相軸及び遅相軸を透過する所定波長の光（例えば５５０ｎｍの波長の光）の間に１／４波長の位相差を与えるいわゆる１／４波長板である。このような偏光板ＰＬと第１位相差板（１／４波長板）Ｒ１との組み合わせは、理想的には偏光板ＰＬの透過軸を透過した所定波長の直線偏光を円偏光に変換する円偏光板として機能する。

第２位相差板Ｒ２は、円偏光素子Ｃと液晶表示パネル１との間に配置され、互いにほぼ直交する進相軸及び遅相軸を有している。この第２位相差板Ｒ２は、液晶層３０のリタデーションを補償する異方性フィルムであり、第２位相差板Ｒ２自身の総合的な屈折率異方性を考慮したときに、実質的な主軸が法線に対して傾いた屈折率異方性を有する異方性フィルムである。このような第２位相差板Ｒ２としては、例えばＷＶ（ワイドビュー）フィルム（富士写真フィルム（株）製）が適用可能である。このＷＶフィルムは、光学的に負の１軸性の屈折率異方性を有するディスコティック液晶分子を液晶状態において光軸を法線方向（つまり、位相差板の厚み方向）に沿ってハイブリッド配向した状態（つまり、主軸がハイブリッド配向した状態）で固定化させた液晶フィルムである。このような第２位相差板Ｒ２は、その面内に位相差を有するＡプレート相当の位相差板であり、ベンド配向した液晶分子の屈折率異方性の視野角依存性を光学的に補償する。

第３位相差板Ｒ３は、円偏光素子Ｃと第２位相差板Ｒ２との間に配置され、その厚み方向に位相差を有するＣプレート相当の位相差板である。すなわち、この第３位相差板Ｒ３は、その面内方位での互いに直交する方位の屈折率をそれぞれｎｘ及びｎｙとし、その法線方位の屈折率をｎｚとしたときに、ｎｘ＝ｎｙ＞ｎｚ（光学的に負）の屈折率異方性を有している。つまり、この第１実施形態においては、光学素子の厚み方向の位相差は、この第３位相差板Ｒ３によって提供される。すなわち、この第３位相差板Ｒ３は、第２位相差板Ｒ２による光学的補償に必要な厚み方向の屈折率（ｎｚ）の不足分を補っている。

上述したような液晶表示装置においては、アレイ基板１０の配向膜１６及び対向基板２０の配向膜２３のラビング方向を基準方位として、各構成は、例えば以下のような軸角度で配置されている。軸角度とは、偏光板の吸収軸及び位相差板の遅相軸が基準方位（Ｘ軸）に対して反時計回りになす角度であり、図５によって定義されるものである。すなわち、対向基板２０側から液晶表示装置を観察したとき、アレイ基板１０（または対向基板２０）の主面に平行な平面内において、便宜上、互いに直交するＸ軸及びＹ軸を定義し、この平面の法線方向をＺ軸と定義する。面内とは、Ｘ軸及びＹ軸で規定されるＸ−Ｙ平面内に相当する。配向膜１６及び配向膜２３のラビング方向は、Ｘ軸と平行であり、液晶層３０の液晶分子３１は、Ｘ−Ｚ平面内でベンド配向する。

図６には、第１実施形態の構成例が示されている。

すなわち、液晶表示パネル１において、液晶層３０のラビング方向は、０°方位に設定されている。また、各画素ＰＸにおいて、透過部ＰＴのセルギャップｄＴは４．６５μｍに設定され、反射部ＰＲのセルギャップｄＲは２．１μｍに設定されている。また、液晶層３０における液晶分子のプレチルト角Θｐは７°に設定されている。

アレイ基板側の第１光学素子４０においては、偏光板ＰＬは、その吸収軸が０°方位を向くように配置されている。第１位相差板Ｒ１は、その遅相軸が１３５°方位を向くように配置されている。第２位相差板Ｒ２は、その厚み方向に沿ってディスコティック液晶分子がハイブリッド配向した位相差板であり、ディスコティック液晶分子の主軸の平均傾斜角は法線に対して３０°をなすように設定されている。この第２位相差板Ｒ２は、総合的な主軸のＸ−Ｙ平面への正射影がラビング方向と平行となるように配置されている。つまり、第２位相差板Ｒ２の主軸の傾斜方向は、０°方位に設定されている。

対向基板側の第２光学素子５０においては、偏光板ＰＬは、その吸収軸が９０°方位を向くように配置されている。第１位相差板Ｒ１は、その遅相軸が４５°方位を向くように配置されている。第２位相差板Ｒ２は、その主軸の傾斜方向が０°方位を向くように設定されている。

このように、この第１実施形態では、特に、第１光学素子４０及び第２光学素子５０のいずれの第１位相差板Ｒ１もそれぞれの遅相軸がラビング方向に対して４５°の角度をなし、しかも、それぞれの遅相軸が互いに直交するように配置されている。これにより、第１位相差板Ｒ１自身の波長分散の影響を緩和することが可能となり、特に、正面（液晶表示パネルの法線方向）から液晶表示装置を観察したときの波長依存性によるコントラストの低下を抑制することが可能となる。

また、第１光学素子４０及び第２光学素子５０のそれぞれに含まれる偏光板ＰＬは、それぞれの吸収軸が円偏光素子を構成する第１位相差板Ｒ１の遅相軸に対して４５°の角度をなし、しかも、それぞれの吸収軸が互いに直交するように配置されている。

なお、第１光学素子４０及び第２光学素子５０について、各構成のリタデーション値は以下の通りである。ここでは、波長５５０ｎｍでのリタデーション値を示している。すなわち、第１位相差板Ｒ１のリタデーションＲは１３７．５ｎｍであり、第２位相差板Ｒ２のリタデーション（面内位相差）Ｒｅは４５ｎｍであり、第３位相差板Ｒ３のリタデーション（厚み方向位相差）Ｒｔｈは１３０ｎｍである。ここでは、液晶層３０を介して配置される第１光学素子４０及び第２光学素子５０について、それぞれのリタデーション値を等しくしたが、この発明ではそれぞれのリタデーション値が等しくなくても良い。

上述したような第１実施形態によれば、反射部による反射表示及び透過部による透過表示の機能を兼ね備えたＯＣＢモードの半透過型液晶表示装置において、円偏光素子Ｃを含めた光学素子とＯＣＢモードの液晶表示パネルとの総合的な光学設計が最適化され、反射表示及び透過表示のいずれにおいても正面方向のみならず斜め方向から観察した場合でも高コントラスト比の表示が実現でき、高コントラスト比が得られる視野角の拡大が可能となる。

次に、第１実施形態の上記構成例における効果を検証した。

図７は、第１実施形態の液晶表示装置における透過表示でのコントラスト比の視野角依存性をシミュレーションした結果を示したものである。ここで、同心円の中心は液晶表示パネルの法線方向（Ｚ軸）に相当し、法線方向を中心とした同心円は、法線に対する傾き角度（視角）であり、それぞれ２０°、４０°、６０°、８０°に相当する。ここで示した特性図は、各方位についてコントラスト比（ＣＲ）が等しい領域を結ぶことで得られたものであり、特に、コントラスト比＝１００：１の領域及びコントラスト比＝１０：１の領域を図示している。

図７に示したように、この第１実施形態の構成例によれば、画面の全方位について、視角が６０°以上の範囲でコントラスト比＝１０：１以上が得られ、また、０°−１８０°方位及び９０°−２７０°方位については、視角が８０°以上の範囲でコントラスト比＝１０：１以上が得られ、十分な視野角が得られることが確認できた。

《第２実施形態》
次に、第２実施形態に係る液晶表示装置について説明する。この第２実施形態においては、第１光学素子４０及び第２光学素子５０は、第１実施形態と同様に、上述したような液晶表示パネル１における液晶層３０に電圧を印加した所定の表示状態において、液晶層３０のリタデーションを光学的に補償する機能を有している。特に、この第２実施形態においては、第１光学素子４０及び第２光学素子５０のうちの一方に備えられる円偏光素子Ｃは、偏光板ＰＬと第１位相差板Ｒ１との間に配置された第４位相差板Ｒ４を有している。つまり、第１光学素子４０及び第２光学素子５０は、液晶表示パネル１について非対称の構成である。

図８に示した例では、液晶表示パネル１に対して対向基板２０側（つまり、観察面側）に配置された第２光学素子５０の円偏光素子Ｃは、偏光板ＰＬ、第４位相差板Ｒ４、及び、第１位相差板Ｒ１を有しているが、第１光学素子４０の円偏光素子Ｃが第４位相差板Ｒ４を有していても良い。なお、他の構成は、第１実施形態と同一である。

この第４位相差板Ｒ４は、互いにほぼ直交する進相軸及び遅相軸を有しており、これらの進相軸及び遅相軸を透過する所定波長の光（例えば５５０ｎｍの波長の光）の間に１／２波長の位相差を与えるいわゆる１／２波長板である。このような第４位相差板Ｒ４は、液晶表示装置全体のリタデーションの視野角依存性を補償して視野角を拡大させる機能を有しており、特に、ＯＣＢモードの半透過型液晶表示装置に必要とされる円偏光素子Ｃの１／４波長板（第１位相差板Ｒ１）が有するリタデーションの視野角依存性を主として補償するように構成されている。

すなわち、上述した第１実施形態において、特に透過表示を行った際、正面においては高コントラストの良好な表示が観察される。これは、第１位相差板Ｒ１が自身を通過する光に対して１／４波長のリタデーションを付与する１／４波長板として機能し、偏光板ＰＬとの組み合わせによって理想的な円偏光を形成するように光学設計されているからである。

しかしながら、透過表示を行った際に、斜め方向から観察した場合には、高コントラスト比が得られる視野角には限界がある。例えば、図７に示した例においては、０°−１８０°方位及び９０°−２７０°方位と比較して、４５°−２２５°方位及び１３５°−３１５°方位における視野角が狭い。これは、主に第１位相差板Ｒ１が有するリタデーションの視野角依存性により、ある方位の視角においては１／４波長板としての機能が得られなくなる（つまり、第１位相差板Ｒ１が自身を通過する光に対して１／４波長のリタデーションを付与できなくなる）ためである。このため、ある方位の視角においては、第１位相差板Ｒ１と偏光板ＰＬとの組み合わせによって、理想的な円偏光を形成することができず、高コントラスト表示が得られない。

なお、ここでは、第１位相差板Ｒ１の視野角依存性についてのみ説明したが、他の構成についても視野角依存性を有している場合があり、図７に示した例のように、視野角が狭くなる原因としては、これらの複合的な要因が考えられる。

そこで、この第２実施形態では、第１位相差板Ｒ１のみならず液晶表示装置全体のリタデーションの視野角依存性を補償すべく、斜め方向から観察した場合であっても理想的な円偏光に近づけるようなリタデーションを付与できるように第４位相差板Ｒ４を配置している。これにより、高コントラスト比が得られる視野角を、第１実施形態よりもさらに拡大することが可能となる。

図９には、第２実施形態の構成例が示されている。第４位相差板Ｒ４以外の構成については、図６に示した第１実施形態の構成例と同一である。

この構成例においては、第４位相差板Ｒ４は、２軸の屈折率異方性を有するものを適用している。すなわち、第４位相差板Ｒ４は、ｎｘ＞ｎｙ＞ｎｚの屈折率異方性を有している。第２光学素子５０において、第４位相差板Ｒ４は、その遅相軸が９０°方位を向くように配置されている。つまり、第４位相差板Ｒ４の遅相軸と、偏光板ＰＬの吸収軸とは、平行に設定されている。

このため、正面方向においては第４位相差板Ｒ４のリタデーションの影響はなく、第１実施形態と同様に高コントラストの良好な表示が観察される。また、斜め方向から観察した場合においては、第４位相差板Ｒ４が有するリタデーションが有効に作用して、液晶表示装置全体のリタデーションの視野角依存性を補償することができ、理想的な円偏光に近づくため、広い視野角の範囲で高コントラストの良好な表示を観察可能となる。

なお、第１光学素子４０及び第２光学素子５０について、各構成のリタデーション値は図９に示した通りである。ここでは、第１実施形態と同様に、波長５５０ｎｍでのリタデーション値を示している。第４位相差板Ｒ４については、そのリタデーションＲは２７５ｎｍであり、Ｎｚ＝（ｎｘ−ｎｚ）／（ｎｘ−ｎｙ）で与えられるＮｚ係数が０．４に設定されている。

ここで、第４位相差板Ｒ４のＮｚ係数について、特に、４５°−２２５°方位及び１３５°−３１５°方位について６０°以上の視角についても理想的な円偏光に近づけるようなリタデーションを付与するためには、Ｎｚ係数を０．３以上に設定することが望ましい。また、理想的な円偏光を超えて過補償となることを防止するためには、第４位相差板Ｒ４のＮｚ係数を０．６以下に設定することが望ましい。

上述したような第２実施形態によれば、反射部による反射表示及び透過部による透過表示の機能を兼ね備えたＯＣＢモードの半透過型液晶表示装置において、円偏光素子を含めた光学素子とＯＣＢモードの液晶表示パネルとの総合的な光学設計がより最適化され、反射表示及び透過表示のいずれにおいても正面方向のみならず斜め方向から観察した場合でも高コントラスト比の表示が実現でき、高コントラスト比が得られる視野角のさらなる拡大が可能となる。

次に、第２実施形態の上記構成例における効果を検証した。

図１０は、第２実施形態の液晶表示装置における透過表示でのコントラスト比の視野角依存性をシミュレーションした結果を示したものである。この第２実施形態の構成例によれば、画面の全方位について、視角が８０°以上の範囲でコントラスト比＝１０：１以上が得られ、十分な視野角が得られることが確認できた。また、コントラスト比＝１０：１以上の視野角の面積は、第１実施形態と比較して１．１４倍となった。

上述した第２実施形態において、第４位相差板Ｒ４は、対向基板２０側（視認側）の第２光学素子５０に配置したことにより、透過表示のみならず、反射表示においても第４位相差板Ｒ４が作用するが、特に反射表示での特性に影響はない。透過表示についてのみ効果的に第４位相差板Ｒ４を作用させるには、アレイ基板１０側（光入射側／バックライト側）の第１光学素子４０において、円偏光素子Ｃを構成する偏光板ＰＬと第１位相差板Ｒ１との間に第４位相差板Ｒ４を配置することが望ましい。

《第３実施形態》
次に、第３実施形態に係る液晶表示装置について説明する。この第３実施形態においては、第４位相差板Ｒ４は、２軸の屈折率異方性を有するものを適用している。すなわち、第４位相差板Ｒ４は、ｎｘ＞ｎｙ＞ｎｚの屈折率異方性を有している。第２光学素子５０において、第４位相差板Ｒ４は、偏光板ＰＬと第１位相差板Ｒ１との間に配置されており、その遅相軸が０°方位を向くように配置されている。つまり、第４位相差板Ｒ４の遅相軸と、偏光板ＰＬの吸収軸との位置関係が第２実施形態と異なり、第４位相差板Ｒ４は、その遅相軸が偏光板ＰＬの吸収軸と直交するように配置されている。

図１１には、第３実施形態の構成例が示されている。第４位相差板Ｒ４以外の構成については、図９に示した第２実施形態の構成例と同一である。

このような第３実施形態においては、第４位相差板Ｒ４については、そのリタデーションＲは例えば第２実施形態と同様の２７５ｎｍであり、Ｎｚ係数が逆の関係となるように０．４以上０．７以下に設定されることにより、上記構成例と同様の効果が得られる。ここでは、第４位相差板Ｒ４のＮｚ係数は、例えば０．７に設定されている。

このような第３実施形態において、透過表示でのコントラスト比の視野角依存性をシミュレーションしたところ、第２実施形態と同様に、画面の全方位について、視角が８０°以上の範囲でコントラスト比＝１０：１以上が得られ、十分な視野角が得られることが確認できた。

《第４実施形態》
次に、第４実施形態に係る液晶表示装置について説明する。この第４実施形態においては、第１光学素子４０及び第２光学素子５０は、上述したような液晶表示パネル１における液晶層３０に電圧を印加した所定の表示状態において、液晶層３０のリタデーションを光学的に補償する機能を有している。また、これらの第１光学素子４０及び第２光学素子５０は、その厚み方向に位相差を有するように構成されている。

図１２に示すように、第１光学素子４０はアレイ基板１０の外面に配置され、また、第２光学素子５０は対向基板２０の外面に配置されている。これらの第１光学素子４０及び第２光学素子５０は、同一構成である。つまり、第１光学素子４０及び第２光学素子５０は、それぞれ偏光板ＰＬ及び第１位相差板Ｒ１を有する円偏光素子Ｃ、及び、第２位相差板Ｒ２を備えて構成されている。また、これらの第１光学素子４０及び第２光学素子５０は、液晶表示パネル１について対称の構成である。つまり、第１光学素子４０及び第２光学素子５０においては、液晶表示パネル１側から第２位相差板Ｒ２、第１位相差板Ｒ１、偏光板ＰＬがこの順に積層されている。

特に、この第４実施形態においては、第１位相差板Ｒ１は、２軸の屈折率異方性を有するものを適用しており、すなわち、ｎｘ＞ｎｙ＞ｎｚの屈折率異方性を有している。この第１位相差板Ｒ１において、その屈折率異方性は、広く利用されている１軸の屈折率異方性を有する１／４波長板と、その厚み方向に位相差を有するＣプレート相当の位相差板との機能を併せ持つように設定されている。つまり、この第４実施形態においては、光学素子の厚み方向の位相差は、第１位相差板Ｒ１によって提供される。

第２位相差板Ｒ２は、第１実施形態などで適用したものと同一である。

図１３には、第４実施形態の構成例が示されている。

すなわち、液晶表示パネル１の構成は、第１実施形態などと同一である。

アレイ基板側の第１光学素子４０においては、偏光板ＰＬは、その吸収軸が０°方位を向くように配置されている。第１位相差板Ｒ１は、その遅相軸が１３５°方位を向くように配置されている。第２位相差板Ｒ２は、その厚み方向に沿ってディスコティック液晶分子がハイブリッド配向した位相差板であり、ディスコティック液晶分子の主軸の平均傾斜角は法線に対して３０°をなすように設定されている。この第２位相差板Ｒ２は、総合的な主軸のＸ−Ｙ平面への正射影がラビング方向と平行となるように配置されている。つまり、第２位相差板Ｒ２の主軸の傾斜方向は、０°方位に設定されている。

対向基板側の第２光学素子５０においては、偏光板ＰＬは、その吸収軸が９０°方位を向くように配置されている。第１位相差板Ｒ１は、その遅相軸が４５°方位を向くように配置されている。第２位相差板Ｒ２は、その主軸の傾斜方向が０°方位を向くように設定されている。

このように、この第４実施形態では、特に、第１光学素子４０及び第２光学素子５０のいずれの第１位相差板Ｒ１もそれぞれの遅相軸がラビング方向に対して４５°の角度をなし、しかも、それぞれの遅相軸が互いに直交するように配置されている。これにより、第１位相差板Ｒ１自身の波長分散の影響を緩和することが可能となり、特に、正面（液晶表示パネルの法線方向）から液晶表示装置を観察したときの波長依存性によるコントラストの低下を抑制することが可能となる。

また、第１光学素子４０及び第２光学素子５０のそれぞれに含まれる偏光板ＰＬは、それぞれの吸収軸が円偏光素子を構成する第１位相差板Ｒ１の遅相軸に対して４５°の角度をなし、しかも、それぞれの吸収軸が互いに直交するように配置されている。

なお、第１光学素子４０及び第２光学素子５０について、各構成のリタデーション値は以下の通りである。ここでは、波長５５０ｎｍでのリタデーション値を示している。すなわち、第１位相差板Ｒ１のリタデーションＲは１３７．５ｎｍであり、Ｎｚ係数が２．５に設定されている。第２位相差板Ｒ２のリタデーション（面内位相差）Ｒｅは４５ｎｍである。ここでは、液晶層３０を介して配置される第１光学素子４０及び第２光学素子５０について、それぞれのリタデーション値を等しくしたが、この発明ではそれぞれのリタデーション値が等しくなくても良い。

ここで、第１位相差板Ｒ１のＮｚ係数について、Ｎｚ係数は２．３以上２．７以下に設定することが望ましい。これは、Ｎｚ係数が２．３より小さいと厚み方向の位相差が小さくなりすぎ、Ｎｚ係数が２．７より大きいと厚み方向の位相差が大きくなりすぎるために、液晶層の光学補償の効果が小さくなるためである。

上述したような第４実施形態によれば、反射部による反射表示及び透過部による透過表示の機能を兼ね備えたＯＣＢモードの半透過型液晶表示装置において、光学素子を構成する部材点数を削減しつつも、円偏光素子を含めた光学素子とＯＣＢモードの液晶表示パネルとの総合的な光学設計を最適化することが可能となる。このため、コストの低減が可能となるとともに、反射表示及び透過表示のいずれにおいても正面方向のみならず斜め方向から観察した場合でも高コントラスト比の表示が実現でき、高コントラスト比が得られる視野角の拡大が可能となる。

《第５実施形態》
次に、第５実施形態に係る液晶表示装置について説明する。この第５実施形態においては、第１光学素子４０及び第２光学素子５０は、第４実施形態と同様に、上述したような液晶表示パネル１における液晶層３０に電圧を印加した所定の表示状態において、液晶層３０のリタデーションを光学的に補償する機能を有するとともに、特に、この第５実施形態においては、第１光学素子４０及び第２光学素子５０のうちの一方に備えられる円偏光素子Ｃは、偏光板ＰＬと第１位相差板Ｒ１との間に配置された第４位相差板Ｒ４を有している。つまり、第１光学素子４０及び第２光学素子５０は、液晶表示パネル１について非対称の構成である。

図１４に示した例では、液晶表示パネル１に対してアレイ基板１０側に配置された第１光学素子４０の円偏光素子Ｃは、偏光板ＰＬ、第４位相差板Ｒ４、及び、第１位相差板Ｒ１を有しているが、第２光学素子５０の円偏光素子Ｃが第４位相差板Ｒ４を有していても良い。なお、他の構成は、第４実施形態と同一である。

この第４位相差板Ｒ４は、互いにほぼ直交する進相軸及び遅相軸を有しており、これらの進相軸及び遅相軸を透過する所定波長の光（例えば５５０ｎｍの波長の光）の間に１／２波長の位相差を与えるいわゆる１／２波長板である。このような第４位相差板Ｒ４は、液晶表示装置全体のリタデーションの視野角依存性を補償して視野角を拡大させる機能を有しており、特に、ＯＣＢモードの半透過型液晶表示装置に必要とされる円偏光素子Ｃの１／４波長板（第１位相差板Ｒ１）が有するリタデーションの視野角依存性を主として補償するように構成されている。勿論、第１位相差板Ｒ１以外の他の構成についても視野角依存性を有している場合があり、視野角が狭い原因としては、これらの複合的な要因が考えられる。

そこで、この第５実施形態では、透過表示を行った場合について、第１位相差板Ｒ１のみならず液晶表示装置全体のリタデーションの視野角依存性を補償すべく、斜め方向から観察した場合であっても理想的な円偏光に近づけるようなリタデーションを付与できるように第４位相差板Ｒ４を配置している。これにより、高コントラスト比が得られる視野角を、第４実施形態よりもさらに拡大することが可能となる。

図１５には、第５実施形態の構成例が示されている。第４位相差板Ｒ４以外の構成については、図１３に示した第４実施形態の構成例と同一である。

この構成例においては、第４位相差板Ｒ４は、２軸の屈折率異方性を有するものを適用している。すなわち、第４位相差板Ｒ４は、ｎｘ＞ｎｙ＞ｎｚの屈折率異方性を有している。第１光学素子４０において、第４位相差板Ｒ４は、その遅相軸が０°方位を向くように配置されている。つまり、第４位相差板Ｒ４の遅相軸と、偏光板ＰＬの吸収軸とは、平行に設定されている。

このため、正面方向においては第４位相差板Ｒ４のリタデーションの影響はなく、第４実施形態と同様に高コントラストの良好な表示が観察される。また、斜め方向から観察した場合においては、第４位相差板Ｒ４が有するリタデーションが有効に作用して、液晶表示装置全体のリタデーションの視野角依存性を補償することができ、理想的な円偏光に近づくため、広い視野角の範囲で高コントラストの良好な表示を観察可能となる。

なお、第１光学素子４０及び第２光学素子５０について、各構成のリタデーション値は図１５に示した通りである。ここでは、第４実施形態と同様に、波長５５０ｎｍでのリタデーション値を示している。第４位相差板Ｒ４については、そのリタデーションＲは２７５ｎｍであり、Ｎｚ係数が０．６に設定されている。

ここで、第４位相差板Ｒ４のＮｚ係数について、特に、４５°−２２５°方位及び１３５°−３１５°方位について６０°以上の視角についても理想的な円偏光に近づけるようなリタデーションを付与するためには、Ｎｚ係数を０．５以上に設定することが望ましい。また、理想的な円偏光を超えて過補償となることを防止するためには、第４位相差板Ｒ４のＮｚ係数を０．７以下に設定することが望ましい。

上述したような第５実施形態によれば、反射部による反射表示及び透過部による透過表示の機能を兼ね備えたＯＣＢモードの半透過型液晶表示装置において、光学素子を構成する部材点数を削減しつつも、第４実施形態と比較して、円偏光素子を含めた光学素子とＯＣＢモードの液晶表示パネルとの総合的な光学設計をさらに最適化することが可能となる。このため、コストの低減が可能となるとともに、反射表示及び透過表示のいずれにおいても正面方向のみならず斜め方向から観察した場合でも高コントラスト比の表示が実現でき、高コントラスト比が得られる視野角のさらなる拡大が可能となる。

なお、この発明は、上記実施形態そのものに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

例えば、上述した第１光学素子４０及び第２光学素子５０は、液晶層３０の外側に配置されていれば良い。すなわち、第１光学素子４０について、上述した実施の形態の構成に限らず、アレイ基板１０を構成する絶縁基板１１と液晶層３０との間に第１光学素子４０を構成する第１位相差板Ｒ１、第３位相差板Ｒ３、第２位相差板Ｒ２の少なくとも１つを配置しても良い。また、第２光学素子５０について、上述した実施の形態の構成に限らず、対向基板２０を構成する絶縁基板２１と液晶層３０との間に第２光学素子５０を構成する第１位相差板Ｒ１、第３位相差板Ｒ３、第２位相差板Ｒ２の少なくとも１つ配置しても良い。

また、上記第１乃至第３実施形態において、第３位相差Ｒ３は、光学的に負のＣプレート１枚で構成したが、遅相軸が直交するように配置された２枚のＡプレートで構成しても良い。

さらに、上述した各実施形態においては、第３位相差板Ｒ３のリタデーションＲｔｈは、主とした表示が透過部である場合、即ち透過部の面積が反射部の面積よりも大きい場合（例えば透過部の面積が反射部の面積に対して４倍）、透過部において位相差が相殺されるように最適化した。しかし、主とした表示が反射部である場合、即ち反射部の面積が透過部の面積よりも大きい場合、第２光学素子５０を構成する第３位相差板Ｒ３のリタデーションＲｔｈは、反射部において位相差が相殺されるように最適化してもかまわない。さらに、第２光学素子５０を構成する第３位相差板Ｒ３のリタデーションＲｔｈは反射部において最適化するように設定する一方で、第１光学素子４０を構成する第３位相差板Ｒ３のリタデーションＲｔｈは第２光学素子側の第３位相差板とで協同して透過表示においても位相差を相殺するように最適化しても良い。

図１は、この発明の一実施の形態に係る液晶表示装置の構成を概略的に示す図である。 図２は、図１に示した液晶表示装置に適用可能な液晶表示パネルの構成を概略的に示す図である。 図３は、図１に示した液晶表示装置に適用可能なＯＣＢモードの半透過型液晶表示パネルの構成を概略的に示す図である。 図４は、反射部と透過部とでの配向膜容量及び液晶容量の関係を説明するための図である。 図５は、図１に示した液晶表示装置について配向膜のラビング方向に対する軸角度の定義を説明するための図である。 図６は、第１実施形態に係る液晶表示装置の構成例を説明するための図である。 図７は、第１実施形態に係る液晶表示装置における透過表示時のコントラスト比の視野角依存性をシミュレーションした結果を示した図である。 図８は、第２実施形態に係る液晶表示装置の構成を概略的に示す図である。 図９は、第２実施形態に係る液晶表示装置の構成例を説明するための図である。 図１０は、第２実施形態に係る液晶表示装置における透過表示時のコントラスト比の視野角依存性をシミュレーションした結果を示した図である。 図１１は、第３実施形態に係る液晶表示装置の構成例を説明するための図である。 図１２は、第４実施形態に係る液晶表示装置の構成を概略的に示す図である。 図１３は、第４実施形態に係る液晶表示装置の構成例を説明ための図である。 図１４は、第５実施形態に係る液晶表示装置の構成を概略的に示す図である。 図１５は、第５実施形態に係る液晶表示装置の構成例を説明ための図である。

符号の説明

１…液晶表示パネル
１０…アレイ基板
２０…対向基板
３０…液晶層
３１…液晶分子
４０…第１光学素子
５０…第２光学素子
６０…バックライト
ＰＬ…偏光板
Ｒ１…第１位相差板（１／４波長板）
Ｒ２…第２位相差板（ＷＶフィルム）
Ｒ３…第３位相差板（Ｃプレート）
Ｒ４…第４位相差板（１／２波長板）
Ｒ５…第５位相差板（ポジティブＣプレート）
ＰＸ…画素
ＰＲ…反射部
ＰＴ…透過部

Claims (12)

1. マトリクス状に配置された複数の画素のそれぞれに反射部及び透過部を有する液晶表示装置において、
   一対の基板間に液晶層を保持した構成のＯＣＢモードを適用した液晶表示パネルと、
   前記液晶表示パネルのそれぞれの外面に配置され、前記液晶層に電圧を印加した所定の表示状態において、前記液晶層のリタデーションを光学的に補償する一対の光学素子と、を備え、
   前記光学素子は、
   偏光板と、前記偏光板と前記液晶表示パネルとの間に配置され１／４波長の位相差を与える第１位相差板と、を有する円偏光素子と、
   前記円偏光素子と前記液晶層との間に配置され、主軸が法線に対して傾いた屈折率異方性を有する第２位相差板と、
   を備えて構成され、さらに、その厚み方向に位相差を有することを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記光学素子は、さらに、前記円偏光素子と前記第２位相差板との間に配置され一軸の屈折率異方性を有するＣプレート相当の第３位相差板を備え、前記厚み方向の位相差が付与されることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記光学素子の一方に備えられる前記円偏光素子は、前記偏光板と前記第１位相差板との間に配置され１／２波長の位相差を与える第４位相差板を有することを特徴とする請求項２に記載の液晶表示装置。
4. 前記第４位相差板は、２軸の屈折率異方性を有し、その遅相軸が前記偏光板の吸収軸に平行となるように配置され、その面内での互いに直交する方位の屈折率をそれぞれｎｘ及びｎｙとし、その厚み方向の屈折率をｎｚとしたときに、Ｎｚ＝（ｎｘ−ｎｚ）／（ｎｘ−ｎｙ）で与えられるＮｚ係数が０．３以上０．６以下に設定されたことを特徴とする請求項３に記載の液晶表示装置。
5. 前記第４位相差板は、２軸の屈折率異方性を有し、その遅相軸が前記偏光板の吸収軸に直交するように配置され、その面内での互いに直交する方位の屈折率をそれぞれｎｘ及びｎｙとし、その厚み方向の屈折率をｎｚとしたときに、Ｎｚ＝（ｎｘ−ｎｚ）／（ｎｘ−ｎｙ）で与えられるＮｚ係数が０．４以上０．７以下に設定されたことを特徴とする請求項３に記載の液晶表示装置。
6. 前記第４位相差板は、前記光学素子のうちの観察面側に配置された前記円偏光素子に備えられたことを特徴とする請求項３に記載の液晶表示装置。
7. 前記第１位相差板は、２軸の屈折率異方性を有し、前記厚み方向の位相差が付与されることをすることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
8. 前記第１位相差板は、その面内での互いに直交する方位の屈折率をそれぞれｎｘ及びｎｙとし、その厚み方向の屈折率をｎｚとしたときに、Ｎｚ＝（ｎｘ−ｎｚ）／（ｎｘ−ｎｙ）で与えられるＮｚ係数が２．３以上２．７以下に設定されたことを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
9. 前記光学素子の一方に備えられる前記円偏光素子は、前記偏光板と前記第１位相差板との間に配置され１／２波長の位相差を与える第４位相差板を有することを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
10. 前記第４位相差板は、２軸の屈折率異方性を有し、その遅相軸が前記偏光板の吸収軸に平行となるように配置され、その面内での互いに直交する方位の屈折率をそれぞれｎｘ及びｎｙとし、その厚み方向の屈折率をｎｚとしたときに、Ｎｚ＝（ｎｘ−ｎｚ）／（ｎｘ−ｎｙ）で与えられるＮｚ係数が０．５以上０．７以下に設定されたことを特徴とする請求項９に記載の液晶表示装置。
11. 前記第１位相差板は、その遅相軸が前記液晶層のラビング方向に対して略４５°の角度をなすように配置されたことを特徴する請求項１に記載の液晶表示装置。
12. 前記反射部のセルギャップｄＲは、前記透過部のセルギャップｄＴに対して、
    ｄＲ＜ｄＴ／２
    に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。

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