JP4076780B2

JP4076780B2 - 液晶表示装置

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Publication number: JP4076780B2
Application number: JP2002065237A
Authority: JP
Inventors: 和廣西山; 佐藤　　一郎; 慎司小川; 裕文山北
Original assignee: 東芝松下ディスプレイテクノロジー株式会社
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2002-03-11
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2022-03-11
Also published as: JP2002357827A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶表示装置に関し、特にＯＣＢ（optically compensated birefringence）液晶モードの液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶パネルは、ワードプロセッサーやコンピューターなどのモニター、投写型ＴＶや携帯用小型テレビ、光スイッチング素子などの光を制御するための素子として幅広く利用されている。代表的な液晶パネルとして、ツイステッドネマティック（ＴＮ）液晶や、垂直配向（ＶＡ）液晶を用いた液晶パネルがある。
【０００３】
一方、米国特許第４５６６７５８号公報（以下、「７５８号公報」という）に開示されているパイセル（Ｐｉセル、あるいはπセル）は、外部電場の変動に対する応答速度、即ちスイッチング速度が２ミリ秒（ｍｓｅｃ）程度と、従来の液晶材料と比較して高速であるため、近年、動画表示用のディスプレイへの応用を目的として研究開発が行われている。パイセルを使用した液晶パネルは、ＯＣＢ液晶モードの液晶パネル（以下、ＯＣＢ液晶パネルと記す）と呼ばれる。
【０００４】
図５の（ａ）及び（ｂ）は、ＯＣＢ液晶モードの液晶パネルを使用した液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。ＯＣＢ液晶パネル５００は、ガラス基板５１１、透明電極５１２及び配向膜５１３を備えて構成される出射側基板５１０と、配向膜５３１、透明電極５３２及びガラス基板５３３を備えて構成される入射側基板５３０と、これらの間に挟まれ、電源（図示せず）によって初期化電圧を印加されてベンド配向する液晶分子５２１を有する液晶層５２０とを備えて構成される。さらに、ＯＣＢ液晶パネル５００は、出射側の偏光板５０１及び位相差板５０２と、入射側の偏光板５０４及び位相差板５０３とによって挟まれ、表示用の液晶セルを構成する。２枚の偏光板５０１、５０４は、互いに偏光軸を直交させて配置（以下、クロスニコル配置と記す）されている。
【０００５】
図５の（ａ）は、透明電極５１２及び５３２の間に、液晶分子５２１をベンド配向させるための初期化電圧（約２５Ｖ）をパルス的に印加した後、比較的低レベルの電圧（約２．５Ｖ）を印加した状態を示している。この状態で、入射側基板５３０側から特定の偏光性を有していない入射光Ｌ₁が入射した場合、偏光板５０４を通過した後の光は直線偏光となり、液晶層５２０に入射する。偏光板５０４によって直線偏光となった光には、ベンド配向状態の液晶層５２０の複屈折によって位相差が生じ、液晶層５２０を通過した後の光は一般に楕円偏光となる。従って、液晶層５２０を通過した後の光が、偏光板５０４の偏光軸に対して約９０度回転した直線偏光となるように、透明電極５１２及び５３２の間に電圧が印加された場合、殆どの光は、偏光板５０４に対してクロスニコル配置の偏光板５０１を通過し、出射光Ｌ₂として出力される。この図５の（ａ）に示す状態は、「白」の表示に対応しており、ノーマリーホワイトと呼ばれる。
【０００６】
次に、透明電極５１２及び５３２の間に、上記した低レベルの電圧よりも高い電圧（約７．０Ｖ）を印加した場合、液晶分子５２１は外部電場に応じて配向が変化する。図５の（ｂ）は、液晶層５２０の中央付近で液晶分子５２１が、ガラス基板５１１等に垂直に配向するように、透明電極５１２及び５３２の間に所定の電圧が印加された状態である。液晶層５２０の中央部分の液晶分子５２１は、殆どガラス基板５１１等に対して垂直方向に向いているが、配向膜５１３及び５３１の境界面近傍の液晶分子５２１は、界面の規制力によりガラス基板５１１等にほぼ平行、もしくは数度から３０度位傾いた状態である。この状態で入射側基板５３０側から入射光Ｌ₁を入射した場合、入射光Ｌ₁は、上記と同様に偏光板５０４によって直線偏光となるが、液晶層５２０を通過しても殆ど位相差が生じない。従って、液晶層５２０を通過した後の光の偏光面と偏光板５０１の偏光軸は、ほぼ直交状態を保持し、光は偏光板５０１を通過することができない。この図５の（ｂ）に示す状態は、「黒」の表示に対応している。
【０００７】
透明電極５１２及び５３２の間に印加する電圧のレべルを変化させることによって、液晶分子５２１の配向を変化させることが可能であり、液晶層５２０を通過する光の位相差が印加電圧に応じて変化し、楕円偏光の長軸方向が変化することとなり、偏光板５０１を通過する光量が変化することとなる。これによって、ＯＣＢ液晶パネル５００を多諧調の表示パネルとして使用することが可能となる。
【０００８】
実際には、液晶層５２０以外によっても偏光面の回転が生じる。通常、液晶層５２０による位相差と逆の位相差を与える位相差板５０２及び５０３が備えられ、図５の（ｂ）に示す「黒」の表示に対応した状態において、位相差板５０２、５０３及び液晶層５２０によって生じる全体の位相差が約０度、即ち、波長を考慮して位相差を距離に換算したリタデーションが約０ナノメートル（ｎｍ）となるように設計される。例えば、ＯＣＢ液晶パネル５００に垂直に入射する光に対する液晶層５２０のリタデーションが８０ｎｍであれば、位相差板５０２及び５０３の各々は、−４０ｎｍのリタデーションを有するように設計される。白を表示する際には、複屈折によって生じた液晶層５２０のリタデーションは約３５５ｎｍであり、液晶表示装置全体とすれば、２７５ｎｍ（＝−４０ｎｍ＋３５５ｎｍ−４０ｎｍ）のリタデーションを有することになる。このリタデーションを透明電極５１２及び５３２の間に印加する印加電圧に応じて変化させることにより、ＯＣＢ液晶パネル５００を多諧調の表示パネルとして使用することが可能となる。
【０００９】
リタデーションは光が通過した距離である光路長に比例することから、ＯＣＢ液晶パネル５００の平面に対して斜に入射した光に関しては、垂直に入射した光の場合よりもＯＣＢ液晶パネル５００内部の光路長が長くなり、リタデーションは、垂直に入射した光の場合よりも大きくなる。従って、図５の（ｂ）の状態において、斜め方向の光に関しても、液晶層５２０、位相差板５０２及び５０３による全体のリタデーションが０となるように、位相差板５０２及び５０３の屈折率は３次元的分布を持つように設計される。
【００１０】
上記したように、黒表示時の光漏れを無くしコントラストを向上させるために、入射光Ｌ₁側に位相差板５０３を配置し、出射光Ｌ₂側に位相差板５０２を配置して光学補償することが一般的に行なわれている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、ＯＣＢ液晶パネル５００は多層構造であり、各層の境界面での多重反射が起こり、図５の（ｂ）に示す黒表示時においても全体のリタデーションが０とならない光路が存在し、光が偏光板５０１から漏れ、これによって、コントラストが低下する問題が生じる。
【００１２】
入射光Ｌ₁が、入射側基板５３０、液晶層５２０、出射側基板５１０の順で通過し、出射光Ｌ₂として出力するのが通常の光路である。しかし、ＰＣＴ／ＷＯ０１／０９６７３号公報（以下、「６７３号公報」という）にも記載されているように、例えば、一度液晶層５２０を通過した光が、出射側基板５１０のＩＴＯ表面、カラーフィルター層表面又はブラックマトリックス表面（何れも図示せず）で反射され、液晶層５２０に戻り、さらに入射側基板５３０のＩＴＯ、配線等によって反射され、再度液晶層５２０に突入し、出射側から出るというように、液晶層５２０を３回通過する光Ｌｔも存在する。黒表示時を考えると、このように内部反射した光は、入射側の位相差板５０３で１回、液晶層５２０で３回、出射側の位相差板５０２で１回の複屈折を受ける。通常、ＯＣＢ液晶パネル５００は、光が入射側の位相差板５０３で１回、液晶層５２０で１回、及び出射側の位相差板５０２で１回の複屈折を受けた場合に黒表示となるように設計される。従って、上記した内部反射の場合、液晶層５２０を２回余分に通過することによって、光路全体のリターデーションが０とならず、内部反射光は偏光板５０１を通過して出射光Ｌ₂として出力される。このために、ＯＣＢ液晶パネル５００の表示面が十分な黒表示にならず、コントラストが低下することとなる。先ほどの例では、この光Ｌｔが液晶層５２０ならびに位相差板５０２および５０３から受けるリタデーションは、１６０ｎｍ（＝−４０ｎｍ＋８０ｎｍ×３−４０ｎｍ）となり、黒表示時において本来求められるリタデーション（０ｎｍ）にならない。
【００１３】
この問題は、ＴＮ液晶モード、ＶＡ液晶モード等においても、正面の光漏れ量を位相差板等で補償する場合に発生することがあるが、黒表示の正面の光漏れ量を位相差板で補償するＯＣＢ液晶パネルにおいて特に顕著な問題である。
【００１４】
ＯＣＢ液晶パネル５００に斜めに入射した光がカラーフィルター層などで散乱されることによって生じた散乱光が、出射側の位相差板５０２に垂直に入射する場合、光路全体におけるリタデーションが０とならず、光の漏れが生じてコントラストが低下する問題がある。
【００１５】
図６は、図５に示したＯＣＢ液晶パネル５００に斜めに入射した光の経路を示しており、光の経路を明確にするために位相差板５０２及び５０３のみを示し、液晶層５２０等その他の層を省略している。Ｌ₄〜Ｌ₅の光路を通過する光は、まず位相差板５０３に対して入射角度θ₁をなした状態で入射し、位相差板５０２から液晶層５２０（図６においては省略）に入射した後には、位相差板５０２に対して透過角度θ₂をなした状態で液晶層を通過する。次いで、液晶層から位相差板５０２に入射して、最終的に位相差板５０２に対して入射角度θ₁と同じ角度をなした状態で位相差板５０２から出射する。なお、図６に示すように、入射角度θ₁および透過角度θ₂も、共に光と位相差板５０２及び５０３に対して垂直な軸との間の角度と規定されている。
【００１６】
上記したように、位相差板５０２及び５０３の屈折率は、光がＬ₄〜Ｌ₅の光路を通過する場合に全体のリタデーションがほぼ０となるように設計されている。即ち、
α₁＋２Δｎ・ｄ₁＝０・・・・（１）
となるように設計されている。ここで、α₁はＬ₄〜Ｌ₅の光路中における液晶層５２０のリタデーションであり、Δｎ・ｄ₁は、位相差板５０２及び５０３が同じ厚さであり、位相差板５０２及び５０３内の各々の光路長をｄ₁、常光と異常光の屈折率の差をΔｎとした場合における、位相差板５０２又は５０３のリタデーションである。一方、垂直光の光路Ｌ₆〜Ｌ₇に関しても同様に、
α₀＋２Δｎ・ｄ₀＝０・・・・（２）
となるように設計されている。ここで、α₀はＬ₆〜Ｌ₇の光路中における液晶層５２０のリタデーションであり、Δｎ・ｄ₀は、位相差板５０２及び５０３の各々の厚さをｄ₀とした場合における、位相差板５０２又は５０３のリタデーションである。
【００１７】
例えば、入射光Ｌ₄が、点Ａで散乱されて出射光Ｌ₇として出射する場合、Ｌ₄〜Ｌ₇の光路に関してのリタデーションの総和Ｒは、Ｒ＝Δｎ・ｄ₁＋α₁＋Δｎ・ｄ₀ であり、上記の式（１）及び（２）を考慮すると、Ｒ＝Δｎ・（ｄ₀−ｄ₁）となる。従って、Ｌ₄〜Ｌ₇の光路に関するリタデーションの総和Ｒは０にならず、偏光板５０１に入射する光は楕円偏光となり、光漏れが生じることとなる。即ち、光がＯＣＢ液晶パネル５００を通過中に出射側基板５１０のＩＴＯ、カラーフィルター層、オーバーコート層等によって前方散乱され、ガラス基板５１１の平面に対して法線方向に通過する光が発生し、この光がガラス基板５１１の外に配置されている位相差板５０２を垂直に通過することにより正面コントラストが低下する。この現象も、黒表示の正面の光漏れ量を位相差板で補償するＯＣＢ液晶モード特有の問題である。
【００１８】
通常、液晶モニターや液晶ＴＶ等はバックライトとして拡散光源を用いていることから、当然に斜めの入射光が存在し、上記の問題が生じるが、平行光源を用いたとしても、光は入射基板を通過する過程で種々の散乱を受け、液晶パネル内部を斜めに通過する光が発生することとなる。この斜め光が出射時に基板に対して斜めに出射されれば正面コントラストを落とすことはないが、上記したように垂直に出射される場合、正面コントラストが低下する。
【００１９】
液晶パネルのコントラストを白表示時の透過率（透過光量）と黒表示時の透過率（透過光量）の比で定義する場合、位相差板を挿入したＯＣＢ液晶モードの液晶セルの正面コントラストは、例えば、ガラス基板、配向膜、ＩＴＯ、液晶よりなる液晶パネルの場合、約５００〜８００であるが、位相差板、ＴＦＴ、カラーフィルター等を使用してモニターやＴＶ用に製作した液晶表示パネルの場合には、約１００〜２００と非常に低い値となる。
【００２０】
本発明は、上記したＯＣＢ液晶モードにおけるコントラスト低下の原因である光の漏れを低減し、高コントラストのＴＦＴやカラーフィルターを用いた表示用パネルや光スイッチングパネルを実現できる液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００２１】
上記目的を達成する第１の本発明に係る液晶表示装置は、２枚の基板と、該基板間に配置された２つの電極と、該電極間に配置され、黒表示時にリタデーションを有するＯＣＢモードの液晶分子からなる液晶層と、該基板と前記液晶層との間に少なくとも１つの位相差層を備え、２つの前記電極間に前記黒表示に対応する電圧が印加された場合、前記基板に入射する光に対して、前記液晶層のリタデーションと前記位相差層のリタデーションとの総和がほぼ０になり、黒表示時に、２つの前記電極間に白表示時よりも高い電圧が印加されることを特徴とする。第１の本発明に係る液晶表示装置によれば、入射光の内部反射による黒表示時の光漏れを低減し、正面コントラストの低下を低減可能である。これによって、非常に高いコントラストの液晶モニター、液晶ＴＶ、車載用表示素子、携帯電話等の携帯用の表示素子を提供することができ、光スイッチング素子においてもコントラストが向上することから、ＯＮ、ＯＦＦ特性が向上し、信頼性の高い光スイッチング素子を提供することが可能となる。
【００２２】
なお、ＯＣＢモードの液晶分子は、電圧無印加時にはスプレイ配向をしており、画像表示に先立って初期化電圧を印加してベンド配向に転移させ、このベンド配向状態において表示を行う。
【００２３】
本発明に係る液晶表示装置においては前記液晶層を狭持する２つの配向膜を備え、少なくとも１つの前記位相差層が、前記配向膜の前記液晶層に隣接しない側の面に隣接して配置されており、前記位相差層のリタデーションの合計が１０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
１つの前記位相差層はカラーフィルター層であることが好ましい。
【００２５】
少なくとも１つの前記位相差層はオーバーコート層であることが好ましい。
【００２６】
少なくとも１つの前記位相差層は平坦化層であることが好ましい。
【００２７】
少なくとも１つの前記位相差層は配向膜であることが好ましい。
【００２８】
本発明に係る液晶表示装置は、２つの前記位相差層を備え、各々の該位相差層は、各々の前記配向膜の前記液晶層に隣接しない側の面に隣接して配置されており、２枚の前記基板の外表面にクロスニコル配置された偏向板を備えていることが好ましい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。本実施の形態に係る液晶表示装置は、液晶パネル１００と、偏光板１０１及び１０２とを備えて構成される。液晶パネル１００は、ガラス基板１１１、ブラックマトリックス１１２、カラーフィルター層１１３、オーバーコート層１１４、透明電極１１５、位相差層１１６及び配向膜１１７を備えて構成される出射側基板１１０と、配向膜１３１、位相差層１３２、透明電極１３３及びガラス基板１３４を備えて構成される入射側基板１３０と、これらの間に挟まれ、初期化電圧を印加されてベンド配向する液晶分子１２１からなる液晶層１２０とを備えて構成される。液晶パネル１００は、２枚の偏光板１０１及び１０２によって挟まれ、２枚の偏光板１０１及び１０２はクロスニコル配置に配置されている。アクティブマトリックス方式の液晶パネルの場合には、入射側基板１３０には、ＴＦＴ（図示せず）を備えて構成される。
【００３８】
図５と同様に、偏光板１０２に入射した光Ｌ₁は、入射側基板１３０、液晶層１２０、出射側基板１１０を順に通過し、透明電極１１５及び１３３の間に印加する電圧によって、出射光Ｌ₂として出力される光量が制御される。位相差層１１６及び１３２の屈折率分布は、黒表示時において、位相差層１３２、液晶層１２０及び位相差層１１６を各々１回通過する光の全リタデーションが約０となるように設計されている。
【００３９】
上記したコントラストの定義から、コントラストに最も影響を与えるのは黒表示時の透過光量であることから、以下において黒表示時の透過光量について説明する。図１に示した液晶分子１２１の配列は、ノーマリーホワイトの表示モードよりもさらに高い電圧を印加されて黒表示状態となったときの配向状態である。図５の（ｂ）に示した状態と同様に、液晶層１２０の中央部分の殆どの液晶分子１２１は、ガラス基板１１１等に対して垂直方向を向いているが、配向膜１１７及び１３１の界面付近の液晶分子１２１は、界面の規制力によりガラス基板１１１等に対してほぼ平行、もしくは数度から約３０度傾いた状態である。
【００４０】
内部反射がある場合、例えば、液晶層１２０、位相差層１１６等を通過した光Ｌｔが、オーバーコート層１１４とカラーフィルター層１１３との境界面で反射され、再度位相差層１１６、液晶層１２０等を通過して入射側基板１１０の位相差層１３２と透明電極１３３との境界面で反射され、出射側基板１１０を通過し、偏光板１０１から出射される場合を考える。この場合、液晶パネル１００の内部で２回反射を繰り返した後に出射される光Ｌｔは、液晶層１２０を３回、位相差層１３２を３回、位相差層１１６を３回通過することになるが、位相差層１１６および１３２がそれぞれ液晶層１２０とガラス基板１１１および１３４との間に挟まれているので、光Ｌｔがこれらから受ける全リタデーションは約０となる。即ち、黒表示時において、内部反射しない光と同様に、２回内部反射する光路を通った光も偏光板１０１から殆ど出射されることが無く、正面コントラストの低下を回避することが可能となる。
【００４１】
ブラックマトリクスを設けて光Ｌｔを液晶表示装置の内部でカットする６７３号公報では、液晶パネル１００の内部で反射する際にブラックマトリクスに当たらなかった光Ｌｔが漏れ光として出射されてしまうが、本実施の形態においては、６７３号公報とは異なり、ブラックマトリクスの有無やその位置に拘わらず液晶パネル１００の内部で反射する光が漏れ光として出射されてしまうことを抑制することが出来る。
【００４２】
具体的には、位相差層１１６及び１３２のリタデーションの合計が約１０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下である場合、さらには位相差層１１６及び１３２の各々のリタデーションが約５ｎｍ以上６０ｎｍ以下である場合、黒表示時の透過光量を効果的に低減でき、正面コントラストの低下を十分に低減することが可能となる。
【００４３】
本実施の形態に係る液晶装置を、ＴＦＴ、カラーフィルター等を用いた実際のモニターやＴＶ用の表示パネルとして作製した場合、約３００の正面コントラスト値を実現することが可能である。
【００４４】
上記においては、オーバーコート層１１４とカラーフィルター層１１３との境界面、及び位相差層１３２と透明電極１３３との境界面で反射される場合について説明したが、内部反射は殆ど全ての層の境界面において発生する現象である。しかし、図１に示した液晶パネル１００においては、位相差層１１６〜偏光板１０１の間の境界面の何れかで反射され、かつ位相差層１３２〜偏光板１０２の間の境界面の何れかで反射される光は、常に液晶層１２０、位相差層１１６及び１３２を同じ回数だけ通過することから、光路の全リタデーションが約０になる。即ち、黒表示時において内部反射した光が偏光板１０１から出射されることが殆ど無く、正面コントラストの低下を低減することが可能となる。
【００４５】
上記した２回の内部反射に対して、４回以上の偶数回の多重反射は発生確率が低く光量が少ないが、それらに対しても同様に光路における全リタデーションが約０となる。
【００４６】
位相差層１１６及び１３２の挿入位置は、最も多くの内部反射モードに対して全リタデーションが約０となるように、図１に示したように、各々配向膜１１７及び１３１に隣接して配置されることが最も望ましいが、各々透明電極１１５〜基板１１１の間、又は電極１３３と基板１３４との間に配置されていてもよい。その場合には、位相差層１１６及び１３２の間にある境界面で反射された光に関して、光路の全リタデーションが約０とならないが、位相差層１１６及び１３２の外側にある境界面で反射された光に関しては、光路の全リタデーションが約０となることから、光漏れを低減する効果を奏する。
【００４７】
上記では位相差層１１６及び１３２が各々１層で形成されている場合に関して説明したが、複数層によって構成されていてもよい。
【００４８】
位相差層１１６及び１３２の配置は、液晶層１２０を挟んで対称な配置に限定されず、例えば、位相差層１１６が透明電極１１５と配向膜１１７との間に配置され、位相差層１３２が透明電極１３３と基板１３４との間に配置されていてもよい。
【００４９】
液晶層１２０の液晶分子を所定の方向に配向させる配向膜１１７及び１３１に、位相差層１１６及び１３２の役割である液晶層１２０によるリタデーションを補償する役割の全部又は一部を持たせるように、配向膜１１７及び１３１に複屈折の特性を持たせ、屈折率分布を調節することも可能である。その場合には、反射面となり得る境界面の数が減少することから、光漏れの低減に関して、位相差層１１６及び１３２を配向膜１１７及び１３１と独立に設けた場合よりも大きな効果を奏する。
【００５０】
同様に、液晶層１２０を通過する光に色彩を付与するカラーフィルター層１１３、ガラス基板１１１及び１３４にそれぞれ設けられた透明電極１１５及び１３３、ガラス基板１１１を被覆するオーバーコート層１１４、走査信号配線（図示せず）および映像信号配線（図示せず）と透明電極１３３（または透明電極１１５）とを異なる層に配置させるために、走査信号配線（図示せず）および映像信号配線（図示せず）と透明電極１３３（または透明電極１１５）との間に挟まれる平坦化層（図示せず。特開２０００−３２１５８８号公報の図８を参照）、ガラス基板１１１及び１３４、又はこれらの組合せに、位相差層１１６及び１３２の役割の全部又は一部を持たせることも可能である。
【００５１】
プラスチック等の樹脂や高分子液晶、駆動させるベンド配向した液晶分子以外の液晶分子からなる層を新たに挿入し、それらに位相差層１１６及び１３２の役割を持たせることも可能である。
【００５２】
図１には、ブラックマトリックス１１２及びカラーフィルター層１１３を備えた構成を示しているが、これらを備えていない構成とすることや、２枚のガラス基板１１１及び１３４の代わりに、プラスチックなどの薄膜やフィルム状のものを使用することも可能である。
【００５３】
なお、特開平０８−１０４６０９号公報（以下、「６０９号公報」）においても、偏光板、ガラス基板、位相差板、液晶の順に積層された液晶表示装置が開示されているが、この６０９号公報においては、リタデーションに関しては開示も示唆もされていない。また、６０９号公報においては、液晶層が黒表示時にリタデーションを有する場合に生じる、内部反射による光漏れという課題についても記載も示唆もされていない。
【００５４】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。本実施の形態に係る液晶表示装置は、液晶パネル２００と、偏光板２０１及び２０２と、位相差板２１６及び２３２とを備えて構成される。液晶パネル２００は、ガラス基板２１１、ブラックマトリックス２１２、カラーフィルター層２１３、オーバーコート層２１４、透明電極２１５及び配向膜２１７を備えて構成される出射側基板２１０と、配向膜２３１、透明電極２３３及びガラス基板２３４を備えて構成される入射側基板２３０と、これらの間に挟まれ初期化電圧を印加されてベンド配向する液晶分子２２１からなる液晶層２２０とを備えて構成される。液晶パネル２００は、クロスニコル配置に配置された２枚の偏光板２０１及び２０２、位相差板２１６及び２３２によって挟まれている。さらに、カラーフィルター層２１３は、顔料が０．０１マイクロメートル（μｍ）以上０．１マイクロメートル以下の大きさに凝集された顔料分散カラーフィルター層である。
【００５５】
図２において、斜め入射光Ｌ₃は、液晶パネル２００の内部の各層を通過し、カラーフィルター層２１３まで到達する。従来の顔料分散型カラーフィルター層であればここで光が散乱する。カラーフィルター層２１３の顔料の大きさが小さいほど、散乱が起こり難いが、顔料の大きさが対象の光の波長と同程度以下であれば十分に散乱を回避すること可能である。液晶パネル２００においては、カラーフィルター層２１３は、顔料凝集粒径が０．０１マイクロメートル以上０．１マイクロメートル以下の大きさに凝集した顔料分散カラーフィルター層であることから、波長が約４００〜約８００ｎｍの可視光である入射光Ｌ₃は殆ど散乱を受けずに、そのまま通過して位相差板２１６を斜めに通過する。従って、正面コントラストの低下の原因となり、全光路のリタデーションが０とならずに偏光板２０１を垂直（正面方向）に透過する散乱光が、殆ど発生しにくくなり、正面コントラストは非常に高い値を維持できる。
【００５６】
カラーフィルター層２１３の位置は、図２に示した位置に限定されず、液晶層２２０と位相差板２１６との間、又は液晶層２２０と位相差板２３２との間にカラーフィルター層２１３を配置しても、従来発生していた正面コントラストの低下を低減する効果を奏する。
【００５７】
位相差板２１６及び２３２の位置は、図２に示したように、液晶パネル２００の外部に限定されず、カラーフィルター層２１３が液晶層２２０と位相差板２１６との間、又は液晶層２２０と位相差板２３２との間に配置され、且つ位相差板２１６及び２３２が図１と同様に液晶パネル２００の内部に配置されても、従来発生していた正面コントラストの低下を低減する効果を奏する。
【００５８】
カラーフィルター層２１３には、顔料粒子等を用いないカラーフィルター層を使用することが可能である。例えば、染料カラーフィルターや光の干渉を用いたカラーフィルターを使用することが可能である。顔料と染料とが混合されたカラーフィルターや、他の発色材料が混合されたカラーフィルターを使用することも可能である。
【００５９】
本実施の形態に係る液晶パネルを、ＴＦＴ、カラーフィルター等を使用した実際のモニターやＴＶ用の表示パネルとして作製した場合、約５００〜約８００の正面コントラスト値を実現することが可能である。
【００６０】
（実施の形態３）
図３は、第３の実施の形態に係る液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。本実施の形態に係る液晶表示装置は、図２と同様に構成された液晶パネル３００と、偏光板３０１及び３０２と、位相差板３１６及び３３２と、光学フィルム３０３と、バックライト３０４とを備えて構成されている。ここで、光学フィルム３０３は、図４に示すように、入射角度θ₁が約３０度以上の光入射成分の光量が、全方位の光入射成分の光量の約１／２以下となるように、バックライト３０４から放射された光の光学フィルム３０３を透過した後の方向を制御する。
【００６１】
この構成において、以下、黒を表示させる場合を考える。バックライト３０４から放射されて光学フィルム３０３によって方向を制御された光のうち、約０〜約３０度の入射角度θ₁を有する入射光は、スネルの原理より液晶層３２０を約０〜約１９度の通過角度θ₂で通過する。
【００６２】
このとき、図６に関して上述されたように、光路Ｌ₄から入射して図６の点Ａにおいて散乱され光路Ｌ₇として正面に出射する散乱光を考える。この散乱光に与えられるリタデーションの総和Ｒは、上述したようにＲ＝Δｎ・（ｄ₀−ｄ₁）であるが、入射角度θ₁が約０〜約３０度の範囲では、ｄ₀とｄ₁との差が小さい。従って、入射角度θ₁がこの範囲であれば、Ｒも小さいので、光漏れ量もそれほど大きくない。
【００６３】
例えば、偏光板３０１及び３０２がクロスニコル配置に配置され、液晶パネル３００の初期状態がノーマリーホワイトである場合、黒表示時の電圧が印加されていれば、約０〜約３０度の入射角度θ₁を有する入射光は、偏光面の変化が殆ど生じないことから、殆ど偏光板３０１を通過せず、正面コントラスト低下の原因とならない。実験の結果においても、斜め光の中でも０〜３０度付近の光は殆ど正面コントラストの低下原因とならないことが確認された。
【００６４】
一方、光学フィルム３０３によって方向を制御された光のうち、約３０度以上の入射角度θ₁を有する光は、液晶層３２０を約２０〜約４１度の透過角度θ₂で通過するため、液晶層３２０により大きな位相差を与えられる。
【００６５】
より詳細に説明すると、上記と同様、光路Ｌ₄から入射して図６の点Ａにおいて散乱され光路Ｌ₇として正面に出射する散乱光を考える。この散乱光に与えられるリタデーションの総和Ｒは、上述したようにＲ＝Δｎ・（ｄ₀−ｄ₁）であるが、入射角度θ₁が約３０度以上である場合には、ｄ₀とｄ₁との差も大きくなる。従って、入射角度θ₁がこの範囲であれば、Ｒも大きくなるので、光漏れ量としても大きくなる。従って、この範囲の入射角度θ₁の光は、楕円偏光になる等偏光面の変化を生じて、偏光板３０１を通過し、コントラスト低下の原因となる。
【００６６】
光漏れ量は入射角度θ₁が大きいほど大きいが、入射角度θ₁が大きくなると、光が正面方向に散乱される確率は逆に減少する。即ち、各入射角度θ₁の光による正面コントラスト低下への寄与率は、角度に依存せずほぼ一定であると考えてよい。従って、本実施の形態に係る液晶表示装置３００のように、約３０度以上の入射角度θ₁の光成分の光量は、全方位の光入射成分の光量の約１／２以下とすれば、全コントラスト低下への寄与は、バックライトの放射光が全方位に一様に放射されて液晶パネル３００に入射される場合と比較して、約３／４に低減されることとなる。
【００６７】
図４の（ａ）〜（ｄ）は、バックライト３０４から放射される光の光学フィルム３０３を通過した後の拡散角度、即ち液晶パネル３００に入射する入射角度θ₁の分布の一例を示した図である。何れも３０度以上の入射角度θ₁の光成分の光量が全方位の光成分の光量の１／２以下になっており、高い正面コントラストを実現できる。
【００６８】
光学フィルム３０３には、プリズムシート、拡散シートなどの集光用シートを使用することが可能であり、光学フィルム３０３を複数枚使用することも可能である。
【００６９】
入射角度θ₁が４０度以上の光成分の光量が全方位の光成分の光量の約１／３になるように、若しくは入射角度θ₁が５０度以上の光成分の光量が全方位の光成分の光量の約１／４になるように光学フィルム３０３の光制御特性を設計することによっても、同様にコントラスト低下を低減可能である。
【００７０】
入射角度θ₁が所定角度以上、例えば３０度以上である光成分が生じないように、光学フィルム３０３の光制御特性を設計することによっても、同様にコントラスト低下を低減可能である。
【００７１】
以上においては、液晶分子３２１の配向方向を考慮していないが、液晶層３２０の液晶分子３２１の配向方向をＸ軸、基板３３４の面内で液晶の配向方向に対して垂直な方向をＹ軸、Ｘ軸及びＹ軸に垂直な軸をＺ軸とする場合（図３参照）、ＹＺ面内の光の入射角度分布における約３０度以上の入射角成分の光量が、ＸＺ面内の光の入射角度分布における約３０度以上の入射角成分の光量よりも少なくなるように、光学フィルム３０３を設計すれば、さらに高い正面コントラストを実現可能である。
【００７２】
ＹＺ面内及びＸＺ面内の光の入射角度分布の各々において、約３０度以上の入射角度を持った光入射成分の光量が全方位の光入射成分の光量に対して約１／２以下であれば、さらにコントラストの低下を低減可能である。
【００７３】
以上、本発明に係る第１〜第３の実施の形態において、２枚の偏光板１０１及び１０２、２０１及び２０２、又は３０１及び３０２の配置がクロスニコル配置の場合について説明したが、各々の偏光軸が平行であるオープンニコル配置の場合であっても、上記と同様に液晶表示装置を構成することによって、同様に高い正面コントラストを実現することが可能である。
【００７４】
以上の説明では、黒表示時に液晶層がリタデーションを有する液晶表示装置として、ＯＣＢモードの液晶表示装置を例に挙げて説明したが、ＯＣＢモードの液晶表示装置に限らず、黒表示時に液晶層がリタデーションを有する液晶表示装置であれば、上記と同様に構成することによって、同様に高い正面コントラストを実現することが可能である。なお、本発明においては、黒表示時に液晶層が有するリタデーションとしては、約５０ｎｍ以上約１２０ｎｍ以下であることが好ましく、約７０ｎｍ以上約１００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００７５】
【発明の効果】
本発明により、コントラスト低下の原因である光の漏れを低減し、高コントラストのＴＦＴやカラーフィルターを用いた表示用パネルや光スイッチングパネルを実現できる液晶表示装置が提供される。
【００７６】
なお、本発明に係る液晶表示装置は、本発明の趣旨と矛盾しない範囲において、カラーフィルター層２１３を使用しない、赤、緑、青のバックライトを順次点灯することによって色表示を行うフィールドシーケンシャルカラー方式であってもよい。これらの場合においても、上記と同様に高い正面コントラストを実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る液晶表示装置に入射する光の入射角度分布の例を示す図である。
【図５】従来の液晶表示装置の概略構成を示す断面図であり、（ａ）、（ｂ）は各々白表示状態、黒表示状態を示している。
【図６】液晶表示装置内部における散乱による光漏れを示す説明図である。
【符号の説明】
１００液晶素子
１０１、１０２偏光板
１１０出射側基板
１１１ガラス基板
１１２ブラックマトリックス
１１３カラーフィルター層
１１４オーバーコート層
１１５透明電極
１１６位相差層
１１７配向膜
１２０液晶層
１２１液晶分子
１３０入射側基板
１３１配向膜
１３２位相差層
１３３透明電極
１３４ガラス基板
２００液晶素子
２０１、２０２偏光板
２１０出射側基板
２１１ガラス基板
２１２ブラックマトリックス
２１３カラーフィルター層
２１４オーバーコート層
２１５透明電極
２１６位相差板
２１７配向膜
２２０液晶層
２２１液晶分子
２３０入射側基板
２３１配向膜
２３２位相差板
２３３透明電極
２３４ガラス基板
３００液晶素子
３０１、３０２偏光板
３０３光学フィルム
３０４バックライト
３１０出射側基板
３１１ガラス基板
３１２ブラックマトリックス
３１３カラーフィルター層
３１４オーバーコート層
３１５透明電極
３１６位相差板
３１７配向膜
３２０液晶層
３２１液晶分子
３３０入射側基板
３３１配向膜
３３２位相差板
３３３透明電極
３３４ガラス基板
５００液晶素子
５０１、５０４偏光板
５０２、５０３位相差板
５１０出射側基板
５１１ガラス基板
５１２透明電極
５１３配向膜
５２０液晶層
５２１液晶分子
５３０入射側基板
５３１配向膜
５３２透明電極
５３３ガラス基板
Ｌ₁、Ｌ₃、Ｌ₄、Ｌ₆ 入射光
Ｌ₂、Ｌ₅、Ｌ₇ 出射光
Ｌｔ内部反射光の光路
θ、θ₁ 入射角度
θ₂ 透過角度
ｄ₀ 位相差板の厚さ
ｄ₁ 位相差板内の光路長

Claims

２枚の基板と、
該基板間に配置された２つの電極と、
該電極間に配置され、黒表示時にリタデーションを有するＯＣＢモードの液晶分子からなる液晶層と、
該基板と前記液晶層との間に少なくとも１つの位相差層を備え、
２つの前記電極間に前記黒表示に対応する電圧が印加された場合、前記基板に入射する光に対して、前記液晶層のリタデーションと前記位相差層のリタデーションとの総和がほぼ０になり、
黒表示時に、２つの前記電極間に白表示時よりも高い電圧が印加される、液晶表示装置。
前記液晶層を狭持する２つの配向膜を備え、
少なくとも１つの前記位相差層が、前記配向膜の前記液晶層に隣接しない側の面に隣接して配置されており、
前記位相差層のリタデーションの合計が１０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下である、請求項１に記載の液晶表示装置。
１つの前記位相差層が、カラーフィルター層である、請求項１に記載の液晶表示装置。
少なくとも１つの前記位相差層が、オーバーコート層である、請求項１に記載の液晶表示装置。
少なくとも１つの前記位相差層が、平坦化層である、請求項１に記載の液晶表示装置。
少なくとも１つの前記位相差層が、配向膜である、請求項１に記載の液晶表示装置。
２つの前記位相差層を備え、
各々の該位相差層が、各々の前記配向膜の前記液晶層に隣接しない側の面に隣接して配置されており、
２枚の前記基板の外表面にクロスニコル配置された偏向板を備えている、請求項１に記載の液晶表示装置。