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JP5072520B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

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Description

この発明は、液晶表示装置に係り、特に、ホモジニアス配向した液晶分子を含む液晶層を備えた透過型の液晶表示装置に関する。
ツイステッドネマティック(TN)モードの液晶表示装置と同様に正面から見た場合の表示特性が優れている垂直配向(VA;Vertically Aligned)モードの液晶表示装置において、視野角補償用位相差フィルムを適用することで、広い視野角特性を実現する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、STN(Super Twisted Nematic)モードなどの液晶表示装置において適用可能な2軸性の複屈折フィルムを製造する技術が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2005−099236号公報 特開2005−181451号公報
近年、一対の基板間にホモジニアス配向した液晶分子を含む液晶層を保持することによって構成された液晶表示装置においては、さらなるコントラストの向上及び視野角の拡大といった表示品位の改善が要求されている。また、その一方で、装置全体の薄型化及び低コスト化が要求されている。
この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、薄型化及び低コスト化が可能であるとともに、表示品位の良好な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、
互いに対向して配置された第1基板と第2基板との間にホモジニアス配向した液晶分子を含む液晶層を保持した液晶表示パネルと、
前記液晶表示パネルの一方の外面に設けられ、第1偏光板、及び、この第1偏光板と前記液晶表示パネルとの間に配置された第1位相差板及び第2位相差板を含む第1光学素子と、
前記液晶表示パネルの他方の外面に設けられた第2偏光板を含む第2光学素子と、を備え、
前記第1位相差板は、所定波長の光に所定の位相差を与えるとともにネマティック液晶分子を法線方向に沿ってハイブリッド配向した状態で固定化させた位相差板であることを特徴とする。
この発明によれば、薄型化及び低コスト化が可能であるとともに、表示品位の良好な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。ここでは、バックライト光を選択的に透過して画像を表示する透過表示部を備えた液晶表示装置を例に説明する。
図1及び図2に示すように、液晶表示装置は、アクティブマトリクスタイプのカラー液晶表示装置であって、透過型の液晶表示パネルLPNを備えている。この液晶表示パネルLPNは、アレイ基板(第1基板)ARと、アレイ基板ARに対向して配置された対向基板(第2基板)CTと、これらのアレイ基板ARと対向基板CTとの間に保持された液晶層LQと、を備えて構成されている。
また、この液晶表示装置は、液晶表示パネルLPNの一方の外面(すなわちアレイ基板ARの液晶層LQと接触する面とは反対側の面)に設けられた第1光学素子OD1、及び、液晶表示パネルLPNの他方の外面(すなわち対向基板CTの液晶層LQと接触する面とは反対側の面)に設けられた第2光学素子OD2を備えている。さらに、この液晶表示装置は、第1光学素子OD1側から液晶表示パネルLPNを照明するバックライトユニットBLを備えている。
このような液晶表示パネルLPNは、画像を表示する表示領域DSPを備えている。表示領域DSPは、m×n個の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。
アレイ基板ARは、ガラス板や石英板などの光透過性を有する絶縁基板10を用いて形成されている。すなわち、このアレイ基板ARは、表示領域DSPにおいて、画素毎に配置されたm×n個の画素電極EP、これらの画素電極EPの行方向に沿ってそれぞれ形成されたn本の走査線Y(Y1〜Yn)、これらの画素電極EPの列方向に沿ってそれぞれ形成されたm本の信号線X(X1〜Xm)、各画素PXにおいて走査線Yと信号線Xとの交差部を含む領域に配置されたm×n個のスイッチング素子Wなどを有している。
アレイ基板ARは、さらに、表示領域DSPの周辺の駆動回路領域DCTにおいて、n本の走査線Yに接続された走査線ドライバYDを構成する少なくとも一部、及び、m本の信号線Xに接続された信号線ドライバXDを構成する少なくとも一部を備えている。走査線ドライバYDは、コントローラCNTによる制御に基づいてn本の走査線Yに順次走査信号(駆動信号)を供給する。また、信号線ドライバXDは、コントローラCNTによる制御に基づいて各行のスイッチング素子Wが走査信号によってオンするタイミングでm本の信号線Xに映像信号(駆動信号)を供給する。これにより、各行の画素電極EPは、対応するスイッチング素子Wを介して供給される映像信号に応じた画素電位にそれぞれ設定される。
各スイッチング素子Wは、例えば、nチャネル薄膜トランジスタであり、絶縁基板10の上に配置された半導体層12を備えている。この半導体層12は、例えば、ポリシリコンやアモルファスシリコンなどによって形成可能であり、ここではポリシリコンによって形成されている。半導体層12は、チャネル領域12Cを挟んだ両側にそれぞれソース領域12S及びドレイン領域12Dを有している。この半導体層12は、ゲート絶縁膜14によって覆われている。
スイッチング素子Wのゲート電極WGは、走査線Yに接続されている(あるいは走査線Yと一体的に形成されている)。ゲート電極WG及び走査線Yは、ともにゲート絶縁膜14上に配置されている。これらのゲート電極WG、及び、走査線Yは、層間絶縁膜16によって覆われている。
スイッチング素子Wのソース電極WS及びドレイン電極WDは、層間絶縁膜16上においてゲート電極WGの両側に配置されている。ソース電極WSは、信号線Xに接続される(あるいは信号線Xと一体に形成される)とともに、半導体層12のソース領域12Sにコンタクトしている。ドレイン電極WDは、画素電極EPに接続される(あるいは画素電極EPと一体に形成される)とともに、半導体層12のドレイン領域12Dにコンタクトしている。これらのソース電極WS、ドレイン電極WD、及び信号線Xは、有機絶縁膜18によって覆われている。
画素電極EPは、有機絶縁膜18上に配置され、有機絶縁膜18に形成されたコンタクトホールを介してドレイン電極WDと電気的に接続されている。この画素電極EP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。すべての画素PXに対応した画素電極EPは、配向膜20によって覆われている。
一方、対向基板CTは、ガラス板や石英板などの光透過性を有する絶縁基板30を用いて形成されている。すなわち、この対向基板CTは、表示領域DSPにおいて、対向電極ETなどを備えている。対向電極ETは、複数の画素PXに対応して画素電極EPに対向するように配置されている。この対向電極ETは、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。また、この対向電極ETは、配向膜36によって覆われている。
カラー表示タイプの液晶表示装置は、各画素に対応して液晶表示パネルLPNの内面に設けられたカラーフィルタ層34を備えている。図2に示した例では、カラーフィルタ層34は、対向基板CTに設けられている。カラーフィルタ層34は、互いに異なる複数の色、例えば赤色、青色、緑色といった3原色にそれぞれ着色された着色樹脂によって形成されている。赤色着色樹脂、青色着色樹脂、及び緑色着色樹脂は、それぞれ赤色画素、青色画素、及び緑色画素に対応して配置されている。なお、このようなカラーフィルタ層34は、アレイ基板AR側に配置しても良い。
また、各画素PXは、図示しないブラックマトリクスによって区画されている。このブラックマトリクスは、アレイ基板ARに設けられた走査線Yや信号線X、スイッチング素子Wなどの配線部に対向するように配置されている。
このような対向基板CTと、上述したようなアレイ基板ARとをそれぞれの配向膜20及び配向膜36を対向するように配置したとき、両者の間に配置された図示しないスペーサ(例えば樹脂材料によって形成された柱状スペーサ)により、所定のギャップが形成される。液晶層LQは、これらのアレイ基板ARの配向膜20と対向基板CTの配向膜36との間に形成されたギャップに封入された液晶分子40を含む液晶組成物によって構成されている。この実施の形態では、液晶層LQは、ツイスト角が0deg(ホモジニアス配向)の液晶分子40を含んでいる。
この実施の形態に係る液晶表示装置においては、図3に示すように、第1光学素子OD1及び第2光学素子OD2は、これらを通過した光の偏光状態を制御する。すなわち、第1光学素子OD1は、限りなく直線偏光に近い楕円偏光の偏光状態を有する光が液晶層LQに入射するように自身を通過する光の偏光状態を制御する。したがって、第1光学素子OD1に入射したバックライト光の偏光状態は、第1光学素子OD1を通過した際に所定の偏光状態に変換される。その後、第1光学素子OD1から出射されたバックライト光は、所定の偏光状態を保って液晶層LQに入射する。そして、液晶層LQに黒表示のための電圧(黒表示電圧)を印加した場合、液晶表示パネルLPNに入射した光の偏光状態は、液晶層LQの位相差の影響を受けて略直線偏光の偏光状態に変化される。
また、第2光学素子OD2は、液晶層LQに直線偏光(あるいは限りなく直線偏光に近い楕円偏光)の偏光状態を有する光が入射するように自身を通過する光の偏光状態を制御する。したがって、第2光学素子OD2に入射した光の偏光状態は、第2光学素子OD2を通過した際に所定の偏光状態すなわち直線偏光に変換される。
つまり、第1光学素子OD1及び液晶表示パネルLPNを透過した光の偏光状態は、第2光学素子OD2を透過した光と略同一の楕円率(=短軸方向の振幅Es/長軸方向の振幅Ep)を有する略直線偏光である。ここで、略直線偏光とは、楕円率が0.1以下、望ましくは0.02以下の偏光状態を有する光である。このような構成により、液晶表示パネルLPNの法線方向におけるコントラストの向上が可能となるとともに、視野角の拡大が可能となる。
以下に、より具体的に各構成を説明する。
第1光学素子OD1は、1つの第1偏光板51と、第1偏光板51と液晶表示パネルLPNとの間に配置された第1位相差板RF1及び第2位相差板RF2と、を備えて構成されている。図3に示した例では、第1位相差板RF1は、第1偏光板51と液晶表示パネルLPN(アレイ基板AR)との間に配置されている。また、第2位相差板RF2は、第1偏光板51と第1位相差板RF1との間に配置されている。
第2光学素子OD2は、1つの第2偏光板52によって構成されている。
ここで適用される第1偏光板51及び第2偏光板52は、光の進行方向に直交する平面内において、互いに直交する吸収軸及び透過軸を有している。このような偏光板は、ランダムな方向の振動面を有する光から、透過軸と平行な1方向の振動面を有する光すなわち直線偏光の偏光状態を有する光を取り出すものである。
ここで適用される第1位相差板RF1は、光学的に異方性を有する位相差板であり、図4Aに示すように、光学的に正の1軸性の屈折率異方性を有するネマティック液晶分子61を液晶状態において法線方向(すなわち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で固定化させた液晶フィルム層60を有している。
このような液晶フィルム層60において、例えば、アレイ基板AR側の界面近傍では、液晶分子61Aが界面に対して比較的大きなチルト角をなすように配向している(すなわち液晶分子61Aが界面とほぼ垂直に配向している)のに対して、第2位相差板RF2側の界面近傍では、液晶分子61Bが界面に対して比較的小さなチルト角をなすように配向している(すなわち液晶分子61Bが界面に対してほぼ平行に配向している)。つまり、液晶表示パネルLPNにおいて、電圧印加時にアレイ基板AR側での液晶分子の配向方位と、第1位相差板RF1に含まれる液晶分子のハイブリッド方向とは、180°異なる。
このような第1位相差板RF1としては、NHフィルム(新日本石油(株)製)が適用可能である。このような液晶フィルムは、液晶層LQに含まれる液晶分子40の配向により視角に依存して変化する液晶層LQのリタデーションを光学的に補償する機能を有しており、視野角拡大機能を有した位相差板に相当する。
屈折率異方性を有する液晶分子40の配列が印加電圧に応じて変化する液晶層LQや、屈折率異方性を有する位相差板において、複屈折を議論する上では、相対的に屈折率の大きな軸が遅相軸に対応し、相対的に屈折率の小さな軸が進相軸に対応する。遅相軸は、異常光線の振動面と一致するものとする。進相軸は、常光線の振動面と一致するものとする。液晶層LQを通過する常光線及び異常光線の屈折率をそれぞれno及びneとし、それぞれの光線の進行方向に沿った液晶層LQの厚さをdとしたとき、液晶層LQの位相差(リタデーション)は、Δn・d(nm)=(ne・d−no・d)で定義される(つまり、Δn=ne−no)。また、位相差板については、互いに直交する3つの軸に対応した主屈折率を適用し、位相差板の面内での互いに直交する軸に対応した主屈折率をそれぞれnx及びnyとし、その法線方向(すなわち位相差板の厚み方向)の軸に対応した主屈折率をnzとしたとき、位相差板の厚みをdとすると、位相差板の正面位相差(正面リタデーション)は、R=(nx−ny)・dで定義される。
第1光学素子OD1に含まれる第1位相差板RF1及び第2位相差板RF2は、それぞれ互いに直交する遅相軸及び進相軸を有しており、それぞれ所定の正面位相差を有している。
すなわち、この第1位相差板RF1は、上述した視野角拡大機能のほかに、液晶分子61の配向方位(ダイレクター)を遅相軸とし、それに直交する方位を進相軸とし、これらをそれぞれ透過する所定波長(例えば550nm)の光の間に所定の位相差(λを波長とし、mを正数としたとき、λ/mの位相差)を与える位相差板としての機能を有している。
また、第2位相差板RF2は、進相軸及び遅相軸を透過する所定波長(例えば550nm)の光の間に所定の位相差(λを波長とし、nを正数としたとき、λ/nの位相差)を与えるいわゆる位相差板である。このような第2位相差板RF2としては、ゼオノア((株)オプテス製)や、アートン(JSR製)などが適用可能である。
第1光学素子OD1においては、第1偏光板51の吸収軸A1、第1位相差板RF1の面内の遅相軸D1、及び、第2位相差板RF2の面内の遅相軸D2がそれぞれ所定の角度の関係を有するように各構成要素が配置されている。すなわち、第2位相差板RF2は、その遅相軸D2が第1偏光板51の吸収軸A1に対して略45°をなすように第1偏光板51上に配置されている。第1位相差板RF1は、その遅相軸D1が第2位相差板RF2の遅相軸D2に対して略90°をなすように第2位相差板RF2上に配置されている。第1光学素子OD1を液晶表示パネルLPNに配置する場合には、第1光学素子OD1は、視野角拡大機能を有する第1位相差板RF1の遅相軸D1が液晶層LQの液晶分子40のダイレクター(アレイ基板AR側の配向膜20のラビング方向)と略平行となり、かつ、第1位相差板RF1において液晶分子61がハイブリッド配向する方向とアレイ基板AR側の配向膜20のラビング方向とが逆方向になるように配置されている。
また、第2光学素子OD2においては、第2偏光板52は、その吸収軸A2が第1偏光板51の吸収軸A1と直交する(略90度をなす)ように配置されている。
このような構成により、第1光学素子OD1は、所定の楕円率を有する楕円偏光あるいは略直線偏光に変換する機能及び視野角を拡大する機能を有している。また、第2光学素子OD2は、第1光学素子OD1と液晶表示パネルLPNとを透過した光の楕円率と略同等の楕円率を有する略直線偏光に変換する機能を有している。
特に、位相差板を構成する複屈折材料は、その主屈折率が光の波長に依存する特性を有している。このため、位相差板の位相差Rは、通過する光の波長に依存することになる。そこで、上述したように、少なくとも2種類の位相差板を組み合わせた構成の第1光学素子OD1を適用することにより、位相差Rの波長依存性を緩和することが可能となり、カラー表示に利用されるすべての波長範囲において、所定の位相差を付与して所望の偏光状態を形成している。
すなわち、第1光学素子OD1を通過したバックライト光は、略直線偏光に変換され、液晶層LQに入射する。この略直線偏光の長軸方向を仮にX軸と平行であるとする。液晶層LQにおいて、電圧無印加時(あるいは低電圧印加時)に液晶層LQに入射した略直線偏光に対してλ/2の位相差を付与することにより、液晶層LQを通過した光は、液晶層に入射する略直線偏光と直交する直線偏光に変換される。つまり、この直線偏光の振動面はX軸に直交するY軸と平行となる。したがって、第2光学素子OD2において、X軸と平行な吸収軸を有する第2偏光板52を適用することにより、他の位相差板を適用することなしに液晶層LQを通過した直線偏光を高透過率で透過させることができる(白表示)。
これに対して、液晶層LQにおいて、電圧印加時(あるいは高電圧印加時)に液晶層LQに入射した略直線偏光に対して付与する位相差を略ゼロとすることにより、液晶層LQを通過した光は、液晶層に入射する前の略直線偏光と同等の偏光状態を維持している。つまり、この略直線偏光の振動面はX軸と平行となる。したがって、第2光学素子OD2において、X軸と平行な吸収軸を有する第2偏光板52を適用することにより、他の位相差板を適用することなしに液晶層LQを通過した直線偏光を高吸収率で吸収させることができる(黒表示)。このように、第2光学素子OD2は、位相差板を適用することなく第2偏光板52のみで構成されるため、薄型化及び低コスト化が可能となるとともに良好な光学特性を得ることが可能となる。
次に、更なる良好な光学特性を得るための手法、特に黒表示時の光学補償について、第1光学素子OD1における第1位相差板RF1の正面位相差R(RF1)及び第2位相差板RF2の正面位相差R(RF2)と、黒表示時における液晶層LQの残留位相差R(LQ)との関係について検討する。
ここで、液晶層LQの残留位相差R(LQ)について説明する。液晶層LQに黒表示のための電圧(黒表示電圧)を印加した場合、液晶層LQの断面において、基板界面から離れた中央部(ミッドプレーン)に位置する液晶分子40は、電界の方向にその長軸方向がほぼ平行となるように配列している。このため、液晶層LQのミッドプレーンの正面位相差は実質的にゼロ(nm)とみなすことができる。しかしながら、基板界面に隣接して配向した液晶分子40は、界面の配向規制力(アンカリング)の影響を受け、電圧に対する応答が鈍く、ほぼ初期の配向状態を維持している。このため、液晶層LQの基板界面近傍での正面位相差はゼロ(nm)とはならない。したがって、黒表示のために十分に高い黒表示電圧を液晶層LQに印加しても、基板界面のアンカリングの影響により液晶層LQには正面位相差が残ることになる。これを一般に残留位相差と称している。
本実施の形態においては、(1)適用される液晶層LQ、第1位相差板RF1、及び、第2位相差板RF2は、いずれも正の位相差を有していること、(2)液晶層LQにおける液晶分子40のダイレクターと第1位相差板RF1の遅相軸D1とがほぼ平行に設定されること、(3)第1位相差板RF1の遅相軸D1と第2位相差板RF2の遅相軸D2とが略90度の角度に設定されることから、第1光学素子OD1における第1位相差板RF1の正面位相差R(RF1)及び第2位相差板RF2の正面位相差R(RF2)と、液晶層LQの残留位相差R(LQ)と、を合せたトータルの位相差R(total)は、R(total)=R(LQ)+R(RF1)−R(RF2)で表せる。
この式において、R(total)がゼロとなること、つまり、R(LQ)+R(RF1)=R(RF2)となるように各々の位相差を設定することにより、第1光学素子OD1と液晶層LQとの間で光学補償を実現することが可能となる。すなわち、この実施の形態においては、第1光学素子OD1のみでバックライト光の偏光状態を略直線偏光に変換するのではなく、液晶層LQの残留位相差を考慮して液晶表示パネルLPNから出射された出射光の偏光状態を略直線偏光(楕円率<0.1)に変換するものである。
つまり、液晶層LQの残留位相差と第1位相差板RF1の正面位相差との和が第2位相差板RF2の正面位相差と略等しくなるように設定することにより、バックライトユニットBLからのバックライト光が第1光学素子OD1及び黒表示時の液晶層LQを透過した後に、限りなく直線偏光に近い偏光状態を有する光に変換することが可能となる。したがって、上述したような白表示の場合のみならず、黒表示の場合であっても第1光学素子OD1及び液晶層LQを通過した光の偏光状態を極めてゼロに近い楕円率を有するような直線偏光に近づけることができるため、第2光学素子OD2において第2偏光板52を適用するのみで、良好な光学特性を得ることが可能となる。
次に、第1光学素子OD1及び第2光学素子OD2の液晶表示パネルLPNへの配置について検討する。
ここでは、対向基板CT側から液晶表示装置を観察した図4Bに基づき説明する。アレイ基板AR(または対向基板CT)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軸で規定される平面内に相当する。ここで、例えば、X軸は画面の水平方向に対応し、Y軸は画面の垂直方向に対応するものとする。また、X軸の正(+)の方向(0°方位)が画面の右側に対応し、X軸の負(−)の方向(180°方位)が画面の左側に対応するものとする。さらに、Y軸の正(+)の方向(90°方位)が画面の上側に対応し、Y軸の負(−)の方向(270°方位)が画面の下側に対応するものとする。
液晶表示パネルLPNにおいては、アレイ基板AR側の配向膜20のラビング方向は、X軸に対して45°の方位に設定されている。
第1光学素子OD1の液晶表示パネルLPNへの配置は、配向膜20のラビング方向に基づいて設定される。すなわち、第1位相差板RF1は、その遅相軸D1が配向膜20のラビング方向とほぼ平行となるように45°−225°の方位を向くように配置される。このとき、第1位相差板RF1に含まれる液晶分子のハイブリッド方向は、配向膜20のラビング方向とは逆方向となる225°の方位を向いている。また、第2位相差板RF2の遅相軸D2は、第1位相差板RF1の遅相軸D1とほぼ直交する(つまり、135°の方位を向く)ように配置される。さらに、第1偏光板51は、その吸収軸A1が第1位相差板RF1及び第2位相差板RF2の遅相軸に対しそれぞれ略45°の角度をなすように、例えば90°−270°の方位を向くように配置される。
一方、第2光学素子OD2の液晶表示パネルLPNへの配置については、例えば黒表示時の液晶層LQを透過した略直線偏光の方位(この場合にはX軸と平行な方位)に基づいて設定される。すなわち、第2光学素子OD2においては、第2偏光板52は、その吸収軸A2が第1光学素子OD1及び液晶層LQを透過した後の光の偏光状態(略直線偏光)の楕円長軸方向に対して略平行となるように配置される。すなわち、第2偏光板52は、その吸収軸A2が0°−180°の方位を向くように配置すればよい。
図5は、液晶層LQに黒表示の電圧(例えば、4.8V)を印加した時に、バックライト光が上述した構成の第1光学素子OD1及び液晶層LQを透過した後の光の偏光状態を示したものである。このように、黒表示の状態では第1光学素子OD1及び液晶層LQを透過した後の光の偏光状態は、その長軸方向の振幅(Ep)に対して短軸方向の振幅(Es)が限りなく小さく、その楕円率は0.017程度であった。また、このような略直線偏光の長軸方向はほぼ0°の方位(X軸)になることがわかった。このことから、品位良好な黒画像を表示するためには、第2偏光板52の吸収軸A2は0°の方位に設定することが望ましいことがわかる。
(実施例)
次に、この実施の形態に係る液晶表示装置の実施例について説明する。この液晶表示装置は、例えば、以下のようにして設計される。
液晶表示パネルLPNについて、液晶層LQは、ホモジニアス配向した液晶分子を含む液晶組成物で構成されており、例えば、液晶組成物としてMJ041113(メルク社製、Δn=0.065)を適用した。このとき、液晶分子40のダイレクター(液晶分子の長軸方向)は、アレイ基板AR側の配向膜20のラビング方向によって規制され、X軸に対して45°の角度をなすように設定した。また、液晶層LQにおけるギャップは4.9μmに設定した。なお、黒表示を実現するために液晶層LQに印加する電圧は4.8(V)に設定され、この時、液晶層LQの残留位相差は60(nm)であった。
まず、液晶分子40に起因する複屈折を補償するために、アレイ基板ARの外面に配置すべき第1光学素子OD1の第1位相差板RF1の遅相軸D1(すなわち第1位相差板RF1を構成する液晶分子61の配向方位)を逐次補償の関係になるようにアレイ基板ARのラビング方向とほぼ逆平行な方位(例えば225°の方位)に設定する。なお、第1位相差板RF1の正面位相差は、例えば100nmに設定した。
続いて、第2位相差板RF2の遅相軸D2は、液晶分子40及び第1位相差板RF1の遅相軸D1とほぼ垂直な方位(例えば135°の方位)に設定する。なお、第2位相差板RF2の正面位相差は、液晶層LQの残留位相差と第1位相差板RF1の正面位相差との和に相当するように、例えば160nmに設定した。
続いて、第1偏光板51の吸収軸A1は、第1位相差板RF1の遅相軸D1及び第2位相差板RF2の遅相軸D2とほぼ45°で交差するような方位(例えば90°の方位)に設定する。
一方、対向基板CT側の外面に配置すべき第2光学素子OD2の第2偏光板52の吸収軸A2は、第1偏光板51の吸収軸A1とほぼ直交するような方位(例えば0°の方位)に設定する。上述した位相差板の遅相軸の方位及び偏光板の吸収軸の方位は、図4Bに示したように、X軸との成す角度で規定している。
なお、液晶層LQの残留位相差R(LQ)、第1位相差板RF1の位相差R(RF1)、及び、第2位相差板RF2の位相差R(RF2)は、これらの値に限定されるものではなく、R(LQ)+R(RF1)=R(RF2)の関係を満足するものであれば、全てにおいて同様な結果となる。
第1位相差板RF1は、平均傾斜角βが37度のNHフィルム(新日本石油(株)製)を適用した。ここで、平均傾斜角βとは、深さ方向の主屈折率nzが法線方向に対してなす角度として定義し、簡易的には〔(高チルト角+低チルト角)/2+低チルト角〕で与えられる値として定義する。上述した第1位相差板RF1において、例えば、図4Aに示したように、「高チルト角」とはハイブリッド配向した液晶分子のうちアレイ基板主面に対して最も大きな傾きを持って立ち上がった液晶分子61Aのチルト角(主面に対する傾き)に相当し、また、「低チルト角」とはハイブリッド配向した液晶分子のうちアレイ基板主面に対して最も小さな傾きを持って立ち上がった液晶分子61Bのチルト角に相当する。第2位相差板RF2は、ゼオノア((株)オプテス製)を適用した。
このような実施例によれば、コントラスト比の視野角依存性を測定したところ、図6に示すような結果が得られた。ここで、コントラスト比の視野角依存性に関する測定結果を示す図においては、中心が液晶表示パネルLPNの法線方向に相当し、法線方向を中心とした同心円は、法線に対する倒れ角度(視角)が10°〜80°に相当する。ここで示した特性図は、各方位について等コントラスト比の領域を結ぶことで得られたものである。
図6に示したように、実施例によれば、等コントラスト比(CR)=10:1の視野角範囲は、画面の上下及び画面の左右でともに160°と十分な広視野角化を実現できていることが確認できた。また、画面の法線方向でのコントラストは400であった。
一方、図7Aは比較例1の構成を示す図であり、液晶表示パネルLPNの構成は実施例と同一であるが、第1光学素子OD1は第1偏光板、1/2波長板、及び、平均傾斜角βが28度のNHフィルムを備えて構成され、また、第2光学素子OD2は第2偏光板、1/2波長板、及び、1/4波長板を備えて構成されたものである。
図7Bは、図7Aに示した構成の比較例1のコントラスト比の視野角依存性を測定した結果を示したものであるが、等コントラスト比(CR)=10:1の視野角範囲は、画面上下/画面左右でそれぞれ140/145°であった。また、画面の法線方向でのコントラストは250であり、実施例より劣る結果であった。
この実施例によれば、画面の法線方向でのコントラスト及び等コントラスト比の視野角範囲のいずれにおいても改善が確認された。なお各々の測定については、画面の法線方向でのコントラストはBM5−A(トプコン社製)で測定し、視野角特性はEz−Contrast(ELDIM社製)で測定した。
次に、本実施の形態と同様な考え方に基づく図8に示した構成を比較例2として、本実施の形態との違いを明確化するとともに、本実施の形態において良好な視野角特性が得られる理由について説明する。
本実施の形態と図8に示した比較例2との相違点は、本実施の形態では第2位相差板RF2が第1光学素子OD1に含まれているのに対し、比較例2では第2位相差板RF2が第2光学素子OD2に含まれている点だけであり、液晶層LQ、第1光学素子OD1における第1偏光板51と第1位相差板RF1との軸角度の関係、第1位相差板RF1と液晶層LQに含まれる液晶分子40のダイレクターとの軸角度の関係、第1位相差板RF1の正面位相差R(RF1)、第1位相差板RF1の平均傾斜角などは全て同一である。また、第2光学素子OD2に含まれる第2偏光板52の吸収軸A2の液晶表示パネルLPNへの配置角度、第2光学素子OD2に含まれる第2位相差板RF2の正面位相差R(RF2)、第2位相差板RF2の遅相軸D2と第1位相差板RF1の遅相軸D1との軸角度の関係も全て同一に設定されている。したがって、本実施の形態と、図8に示す比較例2と、の正面でのT−V特性(つまり、液晶層LQに印加する電圧に対する透過率の関係)は同一になることは明確である。
図9Aは本実施の形態の視野角特性のシミュレーション結果を示したものであり、図9Bは比較例2の視野角特性のシミュレーション結果を示したものである。これらの結果から、両者は、正面においては略同一の特性を有していながら視野角特性においては全く異なり、本実施の形態が良好な視野角特性を示すのに対し、比較例2では視野角が狭くなることがわかる。
この結果を説明するために、各々の構成について、バックライト光が第1光学素子OD1及び液晶層LQを透過した後の光の偏光状態と、外光が第2光学素子OD2を透過した後の光の偏光状態と、の一致性について解析を実施した。
液晶層LQには、黒表示のために所定の電圧(=4.8V)が印加されているとする。図10Aは本実施の形態における画面の上下方向における両者の一致性を示した特性図であり、図10Bは比較例2における画面の上下方向における両者の一致性を示した特性図である。横軸は画面の上下方向での法線に対するなす角度であり、縦軸は偏光状態を示すパラメーターとして波長550nmにおける楕円率である。また、図中の「A」はバックライト光が第1光学素子OD1及び液晶層LQを透過した後の光の偏光状態に対応し、「B」は外光が第2光学素子OD2を透過した後の光の偏光状態に対応している。
液晶層LQの液晶分子方位は45度に設定されているので、図10A及び図10Bにおいては画面の上下方向の視野角特性を示しているが、画面の左右方向においても同様の視野角特性を示す。良好な視野角補償を実現するためには、バックライト光が第1光学素子OD1及び液晶層LQを透過した後の光の偏光状態と、外光が第2光学素子OD2を透過した後の光の偏光状態と、がほぼ一致していることが重要である。
図10Aより明らかなように本実施の形態では両者がほぼ一致しているのに対し、図10Bに示したように比較例2では視野角の増大と共に両者が大きく乖離していることがわかる。また、比較例2の正面の偏光状態は、楕円率>0.7の楕円偏光であるのに対して、本実施の形態の正面の偏光状態は、楕円率<0.1と略直線偏光に近い偏光状態であることがわかる。つまり、本実施の形態においては主として直線偏光(あるいは比較的小さな楕円率の楕円偏光)を利用しているのに対して、比較例2においては主として円偏光(あるいは比較的大きな楕円率の楕円偏光)を利用している点で相違する。
比較例2のように画面の法線方向において比較的大きな楕円率の楕円偏光を適用する場合には、通常、第2光学素子OD2に主屈折率nx、ny、nzがnx=ny>nzの関係を有する第3位相差板RF3(ネガティブCプレート;n−C)を追加するか、もしくは、第2位相差板RF2として、nx>ny>nzの関係を有する負の二軸性フィルム(NB)を適用しなければ、良好な表示品位が得られない。
図11Aは、比較例2の構成において、第2光学素子OD2と液晶層LQとの間に第3位相差板としてネガティブCプレート(日東電工(株)製)を配置した場合の視野角特性図を示したものである。なお、ネガティブCプレートにおいて、「Rth=[(nx+ny)/2−nz]×フィルム膜厚」で定義される法線方向の位相差(Rth)は80nmに設定した。
また、図11Bは、第2光学素子OD2と液晶層LQとの間にネガティブCプレート(Rth=80nm)を配置した構成について、バックライト光が第1光学素子OD1及び液晶層LQを透過した後の光の偏光状態及び外光が第2光学素子OD2を透過した後の偏光状態の一致性を示したものである。両者の一致性は良好であり、視野角特性においても良好な特性を示すことがわかる。
それに対し、本実施の形態では、バックライト光が第1光学素子OD1及び液晶層LQを透過した後の光の偏光状態において、画面の法線方向で楕円率<0.1となる直線偏光に近い楕円偏光に変換することが可能になるため、第2光学素子OD2としてネガティブCプレート(n−C)や負の二軸フィルム(NB)を適用しなくても、第2偏光板52のみで視野角補償が可能となる。このため、薄型化及び低コスト化が可能であるとともに、高品位の液晶表示装置の提供が可能となる。
なお、この発明は、上記実施形態そのまま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わせてもよい。
例えば、スイッチング素子Wがnチャネル薄膜トランジスタで構成された例について説明したが、同様の各種駆動信号を発生できる構成であれば、他の構成であっても良い。
また、第2光学素子OD2は、第2偏光板52と液晶表示パネルLPNとの間にネガティブCプレートに相当する第3位相差板を含んでいてもよい。すなわち、図12Aに示すように、変形例に係る液晶表示装置において、第2光学素子OD2は、1つの第2偏光板52と、第2偏光板52と液晶表示パネルLPNとの間に配置された第3位相差板RF3と、によって構成されている。
この第3位相差板RF3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、その法線方位の屈折率をnzとしたときに、nx=ny>nzの関係の屈折率異方性を有するものである。なお、この第3位相差板RF3において、法線方向の位相差Rthは80nmに設定した。
このような構成の変形例においては、図12Bに示すように、第3位相差板RF3を配置しない実施例の構成(すなわち図3に示した構成)におけるコントラスト比の視野角依存性の測定結果(すなわち図6の測定結果)と比較して、低コントラスト比の領域(例えばCR=10:1)としては、概ね同等の視野角が得られたが、高コントラスト比の領域(例えばCR=50:1以上)としては、第3位相差板RF3を配置しない実施例の構成の方が広い視野角を得られることがわかる。また、図示しないが、第3位相差板RF3として、負の二軸フィルム(NB)を適用しても図12Bに示したのと同等の特性が得られる。
上述した結果に基づくと、特に、高コントラスト比の領域を拡大するためには、第2光学素子がネガティブCプレートまたは負の二軸フィルムからなる第3位相差板を備えた構成よりも、実施例の構成(すなわち第2光学素子がネガティブCプレート及び負の二軸フィルムのいずれも含まない構成)の方が有利であることが確認された。
また、上述した実施の形態において、第1位相差板RF1は、液晶フィルム層60のみによって構成することが望ましい。すなわち、実施例においては、第1位相差板RF1は、第2位相差板RF2及び液晶表示パネルLPNの外面(つまりアレイ基板ARを構成する絶縁基板10の外面)にそれぞれ接する液晶フィルム層60によって構成されている。NHフィルムのようなハイブリッド配向した液晶分子を含む液晶フィルム層を備えた位相差板は、ベースフィルム上に配向処理を施し、液晶材料を塗布した後に、液晶分子が所定の配向状態を維持した状態で硬化することによって得られる。ベースフィルムとしてはトリアセテートセルロース(TAC)が広く利用されている。しかしながら、ベースフィルム自身が位相差を有しており、良好な光学補償を実現するためにはこのベースフィルムの位相差も加味して補償する必要がある。そこで、上述した実施例のように、ベースフィルムレスのNHフィルムを適用することにより、簡単に光学補償を実現することができる。なお、参考までに、実施例と同一構成でありながらベースフィルム有りのNHフィルムを第1位相差板RF1として適用した場合のコントラスト比の視野角依存性を測定したところ、図13に示すような結果が得られた。
低コントラスト比の領域(例えばCR=10:1)としては、図6に示したベースフィルムレスの実施例の構成と概ね同等の視野角が得られたが、高コントラスト比の領域(例えばCR=50:1以上)としては、ベースフィルムレスの実施例の構成の方が広い視野角を得られることがわかる。上述した結果に基づくと、特に、高コントラスト比の領域を拡大するためには、ベースフィルム(TAC)を有する第1位相差板RF1を適用した構成よりも、実施例の構成(ベースフィルムレス(TAC無し)の第1位相差板RF1を適用した構成)の方が有利であることが確認された。
また、上述した実施の形態において、第1位相差板RF1としては、平均傾斜角βが比較的大きいもの、例えばβ=37度程度の液晶フィルム層60を有するものを適用することが望ましい。なお、参考までに、実施例と同一構成でありながらβ=28度の液晶フィルム層を有する第1位相差板(NHフィルム)を適用した場合のコントラスト比の視野角依存性を測定したところ、図14に示すような結果が得られた。
低コントラスト比の領域(例えばCR=10:1)としては、図6に示したβ=37度の実施例の構成と概ね同等の視野角が得られたが、高コントラスト比の領域(例えばCR=50:1以上)としては、β=37度の実施例の構成の方が広い視野角を得られることがわかる。上述した結果に基づくと、特に、高コントラスト比の領域を拡大するためには、平均傾斜角が小さい液晶フィルムを有する第1位相差板RF1を適用した構成よりも、実施例の構成(平均傾斜角が大きい液晶フィルムを有する第1位相差板RF1を適用した構成)の方が有利であることが確認された。
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の断面構造を概略的に示す図である。 図3は、図2に示した液晶表示装置に適用可能な第1光学素子及び第2光学素子の構成を概略的に示す図である。 図4Aは、電圧印加時における液晶表示パネルの液晶分子の配向と、第1位相差板の液晶分子の配向との関係を説明するための図である。 図4Bは、図3に示した各位相差板の遅相軸の方位及び各偏光板の吸収軸の方位を説明するための図である。 図5は、本実施の形態に係る液晶表示装置において、バックライト光が第1光学素子及び液晶層を透過した後の偏光状態を示した特性図である。 図6は、本実施の形態の実施例に係る液晶表示装置におけるコントラスト比の視野角依存性を測定した特性図である。 図7Aは、比較例1に係る液晶表示装置の構成を概略的に示す図である。 図7Bは、比較例1に係る液晶表示装置におけるコントラスト比の視野角依存性を測定した特性図である。 図8は、比較例2に係る液晶表示装置の構成を概略的に示す構成図である。 図9Aは、本実施の形態の実施例に係る液晶表示装置における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特性図である。 図9Bは、比較例2の液晶表示装置における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特性図である。 図10Aは、本実施の形態の実施例において、バックライト光が第1光学素子及び液晶層を透過した後の偏光状態の画面の上下方向における楕円率の変化と、外光が第2光学素子を透過した後の偏光状態の上下方向の楕円率の変化とのマッチングを示した特性図である。 図10Bは、比較例2において、バックライト光が第1光学素子及び液晶層を透過した後の偏光状態の画面の上下方向における楕円率の変化と、外光が第2光学素子を透過した後の偏光状態の上下方向の楕円率の変化とのマッチングを示した特性図である。 図11Aは、比較例2において、第2光学素子と液晶層との間にネガティブCプレートを配置した場合の、コントラスト比の視野角依存性を測定した特性図である。 図11Bは、比較例2において、第2光学素子と液晶層との間にネガティブCプレートを配置した場合の、バックライト光が第1光学素子及び液晶層を透過した後の偏光状態の上下方向における楕円率の変化と外光が第2光学素子を透過した後の偏光状態の上下方向の楕円率の変化とのマッチングを示した特性図である。 図12Aは、本実施の形態の変形例に相当し、第2偏光板と液晶層との間に第3位相差板(ネガティブCプレート)を配置した構成例の第2光学素子を適用した液晶表示装置の構成を概略的に示す構成図である。 図12Bは、図12Aに示した変形例におけるコントラスト比の視野角依存性を測定した特性図である。 図13は、本実施の形態において、第1位相差板としてベースフィルムを備えたNHフィルムを適用した構成例の、コントラスト比の視野角依存性を測定した特性図である。 図14は、本実施の形態において、第1位相差板として平均傾斜角が28度のNHフィルムを適用した構成例の、コントラスト比の視野角依存性を測定した特性図である。
符号の説明
LPN…液晶表示パネル、AR…アレイ基板、CT…対向基板、LQ…液晶層、OD1…第1光学素子、OD2…第2光学素子、51…第1偏光板、RF1…第1位相差板、RF2…第2位相差板、52…第2偏光板、BL…バックライトユニット、PX…画素

Claims (3)

  1. 互いに対向して配置された第1基板と第2基板との間にホモジニアス配向した液晶分子を含む液晶層を保持した液晶表示パネルと、
    前記液晶表示パネルの一方の外面に設けられ、第1偏光板、及び、この第1偏光板と前記液晶表示パネルとの間に配置された第1位相差板及び第2位相差板を含み、前記液晶層に略直線偏光の偏光状態を有する光が入射するように自身を通過する光の偏光状態を制御する第1光学素子と、
    前記液晶表示パネルの他方の外面に設けられた第2偏光板を含む第2光学素子と、を備え、
    前記第1位相差板は、前記第2位相差板及び前記液晶表示パネルの外面にそれぞれ接する液晶フィルム層であって所定波長の光に所定の位相差を与えるとともにネマティック液晶分子を法線方向に沿って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層によって構成され、
    前記第1光学素子において、前記第1偏光板の吸収軸と前記第2位相差板の遅相軸とのなす角度が略45度に設定され、前記第1位相差板の遅相軸と前記液晶層に含まれる液晶分子のダイレクターとが略平行に設定され、且つ、前記第1位相差板の遅相軸と前記第2位相差板の遅相軸とのなす角度が略90度に設定され、
    前記第2光学素子において、前記第2偏光板の吸収軸と前記第1偏光板の吸収軸とのなす角度が略90度に設定され、
    前記液晶層の残留位相差と前記第1位相差板の正面位相差との和は、前記第2位相差板の正面位相差と略等しいことを特徴とする液晶表示装置。
  2. 前記第2光学素子は、前記第2偏光板と前記液晶表示パネルとの間に第3位相差板を含み、
    前記第3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、その法線方位の屈折率をnzとしたときに、nx=ny>nzの関係の屈折率異方性を有することを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  3. さらに、前記第1光学素子側から前記液晶表示パネルを照明するバックライトユニットを備え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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