JP5227559B2 - 複屈折モード液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、広視野角及び狭視野角表示の切り替えが可能な、複屈折モードの液晶表示装置に関する。

液晶パネルは、様々な用途や環境で使用される。例えば、液晶パネルを使用して会議などでプレゼンテーションを行う場合は、複数の人が同時に見ることになるため、液晶パネルの視野角特性はできるだけ広視野角特性である方がよい。一方、航空機、電車などの公共交通機関等、公共の場所において情報入力及び表示機器として使用する場合には、情報の保全あるいはプライバシーの保全のため、使用者以外の人に表示画面が見られない方がよい。従って、この場合には、視野角特性は、入力者だけに見える範囲で十分であり、狭視野角特性が望まれる。このようなニーズから、１台の液晶パネルにおいて、表示素子の視野角特性を制御し、広視野角状態から一人用の狭視野角状態に対応できる液晶パネルが必要となっている。
例えば、特許文献１には、広視野角状態から一人用等の狭視野角状態に対応可能な、簡易な構成の液晶表示装置が提案されている。
特開２００７−５２４０６号公報

広狭視野角表示の切り替えが可能な液晶表示装置においても、通常の液晶表示装置と同様、広狭視野角表示のいずれにおいても、高コントラストな画像を表示することが望まれる。
本発明は、簡易な構成で、広狭視野角表示が可能であり、且つ広狭視野角表示のいずれにおいても高コントラストな画像を表示可能な液晶表示装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の複屈折モード液晶表示装置は、０ｎｍ≦Ｒｅ［４５］≦２７５ｎｍを満足する印加電圧領域である第１の階調領域と、２７５ｎｍ≦Ｒｅ［４５］≦５５０ｎｍを満足する印加電圧領域である第２の階調領域とを有することを特徴とする。但し、ここでＲｅ［４５］は、偏光板の透過軸に対して４５度の方向に遅相軸を持つ位相差の総和であり、透過軸に対して４５°の方向に面内遅相軸を有する、液晶セル中の液晶層、及び液晶セル内及び／又はセル外に配置される位相差層等の位相差の総和である。また、本発明において、「複屈折モード」とは、ＶＡ（ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙａｌｉｇｎｅｄ）モード、ＯＣＢ（ｏｐｔｉｃａｌｌｙｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄｂｅｎｄ）モード、及びＥＣＢ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モードを含む意味である。

本発明の液晶表示装置の一態様は、前記第１の階調領域で広視野角表示モード、及び前記第２の階調領域で狭視野角表示モードになる液晶表示装置である。また、本発明の液晶表示装置の他の態様は、前記第１の階調領域で狭視野角表示モード、前記第２の階調領域で広視野角表示モードになる液晶表示装置である。
また、本発明の好ましい態様は、ＶＡモード液晶表示装置である。

また別の観点から、本発明によって、複屈折モード液晶表示装置の駆動方法であって、０ｎｍ≦Ｒｅ［４５］≦２７５ｎｍを満足する印加電圧を与えて第１の階調領域を表示する駆動工程と、２７５ｎｍ≦Ｒｅ［４５］≦５５０ｎｍを満足する印加電圧を与えて第２の階調領域を表示する駆動工程とを含むことを特徴とする駆動方法が提供される。

本発明によれば、簡易な構成で、広狭視野角表示が可能であり、且つ広狭視野角表示のいずれにおいても高コントラストな画像を表示可能な液晶表示装置を提供することができる。

発明の実施の形態

以下、本発明について詳細に説明する。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。

図１は、ＶＡモードの液晶セルを有する、本発明の液晶表示装置の一実施形態の模式図である。
図１に示す液晶表示装置は、ＶＡモード液晶セル１０と、その上下に一対の偏光子１２ａ及び１２ｂとを有する。偏光子１２ａ及び１２ｂは、互いに直交した透過軸１４ａ（４５°方向）及び透過軸１４ｂ（１３５°方向）をそれぞれ有する。偏光子は、一般的には、その双方の表面に保護フィルムを有する偏光板として用いられるが、保護フィルムについては、図中省略した。なお、本態様において、偏光子１２ａ及び１２ｂと液晶セル１０との間に配置される保護フィルムが面内遅相軸を有する場合は、該遅相軸は、透過軸１４ａ及び１４ｂに対して水平又は直交の方向にあり、４５°の方向にはないものとする。

ＶＡモード液晶セル１０は、内面に電極及び垂直配向膜を有する一対の基板（不図示）と、その間に、負の誘電率異方性を有するネマチック液晶層を含む。液晶セル１０は、基板内面に形成された突起等によって４つのドメインに分割されたマルチドメイン方式の液晶セルである。具体的には、液晶分子が垂直配向状態から電圧印加によって基板面方向に傾斜する際の分子長軸の配向方向がそれぞれ、４つの方向、０°、９０°、１８０°、及び２７０°の方位角方向、になる４つのドメインに分割されている。液晶層のΔｎｄは、通常のＶＡモード液晶表示装置と同様、５００ｎｍ〜１５００ｎｍ程度である。

図２に、図１の液晶表示装置の各部材の光軸の関係を、一つの水平面に投影した図を示す。
図２に示す通り、透過軸１４ａは４５°方向、及び透過軸１４ｂは１３５°方向にあり、互いに直交し、並びに液晶セル１０に電圧が印加された際の液晶層の遅相軸１０ａ及び１０ｂは、液晶分子の分子長軸方向に一致し、０°、９０°、１８０°及び２７０°の方位角方向にある。即ち、液晶セル１０の遅相軸１０ａ及び１０ｂは、透過軸１４ａ又は１４ｂに対して、４５°の方向にある。

図１の液晶表示装置は、印加電圧領域Ｖ₁〜Ｖ₃（但しＶ₁＜Ｖ₃）において、２つの階調領域を有することを特徴とする。具体的には、Ｖ₁〜Ｖ₂（但し、Ｖ₁＜Ｖ₂＜Ｖ₃）の印加時に、０ｎｍ≦Ｒｅ［４５］≦２７５ｎｍを満足する狭視野角表示モードである第１の階調領域と、Ｖ₂〜Ｖ₃の印加時に、２７５ｎｍ≦Ｒｅ［４５］≦５５０ｎｍを満足する広視野角表示モードである第２の階調領域とを有する。図３に、図１の液晶表示装置の正面透過率と印加電圧との関係の一例を示す。但し、図３は、実測値を反映したグラフではなく、説明のために模式的に示したものである。
図１の液晶表示装置は、駆動電圧未満の印加電圧（Ｖ₁）では、液晶セル１０中の液晶分子は、分子長軸を基板に対して垂直にして配向しているので、透過軸１４ａ及び１４ｂに対して４５°の方向に遅相軸を有する位相差はなく、即ち、Ｒｅ［４５］＝０である。この時、偏光子１２ｂから入射した光はなんら偏光状態を変化させずに、偏光子１２ａまで達するので、偏光子１２ａによって遮断され、黒表示になる。駆動電圧を印加すると、液晶分子は、長軸を電界の方向に対して垂直な方向、即ち基板面に対して水平方向に配向するようになり、０°、９０°、１８０°及び２７０°の方位角方向、即ち、透過軸１４ａ及び１４ｂに対して４５°の方向、に遅相軸がある位相差が発生する。偏光子１２ｂから入射した光は、この位相差によって偏光状態が変化し、一部は、偏光子１２ａでは遮断されなくなり、透過率が上昇する。駆動電圧を高くしていくと、位相差も大きくなり、駆動電圧がＶ₂に達すると、Ｒｅ［４５］＝２７５ｎｍになり、偏光子１２ｂから入射した光の偏光軸が９０°回転し、光は、偏光子１２ａの透過軸１４ａを完全に通過し、白表示になる。印加電圧領域Ｖ₁〜Ｖ₂では、黒〜白の階調領域は、狭視野角表示モードになる。但し、第１の階調領域では、Ｖ₁〜Ｖ₂の全範囲を駆動電圧として利用する必要はなく、黒表示と白表示のコントラストが充分に高くなり、且つ視野角補償されていないため狭視野角特性を満足する印加電圧領域を選択して、第１の階調領域の表示を行うことができる。

印加電圧をＶ₂を超えて、さらに高くしていくと、直線偏光が楕円偏光となり、入射光の一部が偏光子１２ａで遮断され、透過率が低下する。駆動電圧をさらに高くしていくと、位相差もさらに大きくなり、駆動電圧がＶ₃に達すると、その位相差によって、偏光子１２ｂから入射した光の偏光軸が１８０°回転する。従って、入射光は、偏光子１２ａの透過軸１４ａによって遮光され、再び黒表示になる。この様に、印加電圧Ｖ₂〜Ｖ₃でも、白〜黒の階調領域が表示できる。Ｖ₂〜Ｖ₂の印加電圧領域では、比較的広視野角表示モードになる。なお、第２の階調領域においても、上記第１の階調領域と同様に、Ｖ₂〜Ｖ₃の全範囲を駆動電圧として利用する必要はなく、黒表示と白表示のコントラストが充分に高くなり、且つ所望の広視野角特性を満足する印加電圧領域を選択して、第２の階調領域の表示を行うことができる。

この様に、本実施の形態では、０ｎｍ≦Ｒｅ［４５］≦２７５ｎｍを満足する電圧範囲で駆動するとともに、Ｒｅ［４５］＝２７５ｎｍになる印加電圧を超える電圧範囲で駆動することにより、広視野角表示及び狭視野角表示の双方を可能とし、且つ広視野角と狭視野角表示との切り替えを、印加電圧の増減のみで行うことを可能としている。

図４に、本発明の液晶表示装置の他の実施形態の概略模式図を示す。図４中、図１と同一の部材には同一の番号を付し、詳細な説明は省略する。
光学補償層を用いることにより、より広視野角、狭視野角することが可能である。ここでは第１の階調領域の視野角補償をすることにより広視野角化し、第２の階調領域を狭視野角化した。
図４に示す液晶表示装置は、偏光子１４ｂ及び液晶セル１０の間に、光学補償層１６を有する。光学補償層１６は、面内遅相軸１７の位相差を有し、液晶セル１０の複屈折性を補償する機能を有する。遅相軸１７は、透過軸１４ａ及び１４ｂに対してそれぞれ９０°及び０°の方向にある。光学補償層１６としては、種々の光学的一軸性又は二軸性のポリマーフィルム及び／又は液晶組成物の硬化膜等を用いることができる。なお、光学補償層１６は、偏光子１４ｂの保護フィルムとして機能していてもよい。

光学補償層１６は、その面内遅相軸１７が、透過軸１４ａ及び１４ｂに対して４５°の方向にはないので、その位相差は、なんら第１の階調領域と第２の階調領域との切り替えには影響を与えない。即ち、図４の実施態様も、上述の図１の実施態様と同様に、印加電圧Ｖ₁〜Ｖ₂で黒〜白の階調を、及び印加電圧Ｖ₂〜Ｖ₃で白〜黒の階調を表示する。但し、光学補償層１６として、Ｎｚ（＝厚み方向レターデーション（Ｒｔｈ）／面内レターデーション（Ｒｅ）＋０．５）が０〜２０程度の光学特性の位相差を利用すると、その位相差によって、斜め方向の視野角特性を変化させるので、印加電圧Ｖ₁〜Ｖ₂で黒〜白の階調を広視野角で表示し、及び、印加電圧Ｖ₂〜Ｖ₃で白〜黒の階調を狭視野角で表示する。

ＶＡモード液晶表示装置の光学補償部材としては、ＡプレートとＣプレートとの組み合わせ、及び二軸性フィルムなどが知られている。光学補償層１６は、これらのいずれの光学補償部材（又はその一部）であってもよい。従来のＶＡモード液晶表示装置と同様の光学補償フィルムを用いることにより、広視野角表示モードにおける視野角特性を改善することができる。

上記実施形態では、一対の偏光板の透過軸をそれぞれ、４５°及び１３５°の方向に配置する実施形態について説明したが、偏光板透過軸と液晶層の遅相軸との関係が上記の実施態様と同じ関係を満足していれば、上記実施形態と同様の効果が得られる。したがって、偏光板の透過軸の方向は、目的に応じて任意に設定することができる。

また、上記では、ＶＡモード液晶表示装置の実施形態のみを説明したが、本発明は、ＶＡモード液晶表示装置のみならず、他の複屈折モード、ＯＣＢモード及びＥＣＢモード液晶表示装置においても効果を奏する。中でも、本発明は、ＶＡモード液晶表示装置の態様において特に優れた効果を奏する。本発明のように、駆動電圧の増減で第１及び第２の階調領域を切り替える場合、実際には、０ｎｍ≦Ｒｅ［４５］≦２７５ｎｍを満足する印加電圧領域及び２７５ｎｍ≦Ｒｅ［４５］≦５５０ｎｍを満足する印加電圧領域の全てを利用できるわけではなく、第１及び第２の階調領域のいずれも良好な表示特性とするためには、それぞれ最適な印加電圧領域のみを利用することになる。一般的に、液晶表示装置について良好な表示性能とするためには、黒輝度を低下させて高コントラストを得ることが必須である。ＶＡモードの実施形態では、上記した通り、電圧無印加時に黒表示になり、電圧印加することにより白表示になり、さらに印加電圧を上げていくことで、再び黒表示になるので、第１の階調領域及び第２の階調領域それぞれについて、最適な黒表示が得られる印加電圧の範囲にひらきがあり、重複がない。したがって、ＶＡモードの実施形態では、第１の階調領域及び第２の階調領域それぞれについて、最適な黒表示となる印加電圧を含みつつ、且つ良好な表示性能（高コントラスト等）が得られるように、それぞれの印加電圧領域を選択し、駆動することが容易である。
なお、上記特許文献１に開示の液晶表示装置では、第１の階調領域及び第２の階調領域がそれぞれ黒表示となる印加電圧の範囲に重複があるので、その重複した狭い範囲を、第１の階調領域及び第２の階調領域のそれぞれの印加電圧領域に分配しつつ、さらにそれぞれの階調領域において良好な表示性能が得られるように、それぞれの印加電圧領域を選択しなければならない。この様にそれぞれの階調表示の印加電圧領域について、選択範囲が極めて狭いため、少なくとも一方の階調領域の表示性能を、ある程度犠牲にしなければならなくなるであろう。

また、上記では、マルチドメイン構造の液晶セルを備えた実施形態について説明したが、本発明は、モノドメイン構造の液晶セルを備えた実施形態でも同様に、印加電圧の増減によって、２つの階調領域を表示可能である。但し、マルチドメインの実施形態のほうが、いずれの階調領域の表示特性も、改善されるので好ましい。

また、本発明では、必要であれば、第１の階調領域と第２の階調領域との切り替えをより容易とする等のために、面内遅相軸が透過軸に対して４５°の方向にある位相差層を配置してもよい。

以下、実施例により、本発明をより詳細に説明する。
［実施例１］
（液晶セルの作製）
洗浄した電極付ガラス基板２枚に液晶材料用配向膜（「ＪＡＬＳ−２０２１−Ｒ１」、ＪＳＲ社製）を基板の表面に塗布し、これら２枚を配向膜が内側になるように貼り合わせ、空セルを作製した。液晶セルは、基板間のセルギャップを７．５μｍとし、負の誘電率異方性を有する液晶材料（「ＭＬＣ６６０８」、メルク社製）を基板間に滴下注入して封入し、基板間に液晶層を垂直配向するように形成して作製した。液晶層のリターデーション（即ち、記液晶層の厚さｄ（μｍ）と屈折率異方性Δｎとの積Δｎ・ｄ）を６２５ｎｍとした。なお基板内面に突起を形成し、４つのドメインのＶＡモードの液晶セルを作製した。
（液晶表示装置の作製）
作製した液晶セルの両表面に偏光子をそれぞれ貼り合せ、図１と同様の構成の液晶表示装置を作製した。即ち、液晶セル中の液晶層には、電圧印加によって、遅相軸が透過軸に対して４５°の方向の位相差が生じ、及び液晶層以外には、位相差部材を含まない液晶表示装置を作製した。

（評価）
作製した液晶表示装置に電圧を２．１〜２．７Ｖ印加した時を第１の階調領域、電圧を４．５〜１０Ｖ印加した時を第２の階調領域とし、それぞれの階調領域において、極角±８０°、方位角０°（偏光子の透過軸は方位角４５°及び１３５°の方向）での透過率を調べた。なお、印加電圧２．１〜２．７Ｖでは、液晶層のＲｅ［４５］は０〜１３０ｎｍ程度であり、印加電圧４．５〜１０Ｖでは、液晶層のＲｅ［４５］は４２５〜
５５０ｎｍ程度であった。
結果を図５に示す。また、種々の電圧を印加した際の、画面面内におけるコントラストマップを図６に示す。

図５（ａ）のグラフに示した結果より、電圧２．１Ｖでは最小透過率の黒表示となり、電圧の上昇とともに透過率も上昇し、電圧２．７Ｖを印加すると、最大透過率の白表示となったことが理解できる。即ち、電圧２．１〜２．７Ｖの範囲では、黒表示〜白表示の第１の階調領域が得られた。この階調領域では、階調のつぶれや階調反転が生じない視野角限界は、極角±３０°程度であり、狭視野角表示モードであったことが理解できる。図６のコントラストマップからも、２．１Ｖでは狭視野角の範囲で黒表示が得られ、電圧を上昇させると、該範囲において透過率が上昇し、２．７Ｖでは、白表示となっていることが理解できる。

図５（ｂ）のグラフに示した結果より、電圧４．５Ｖでは最大透過率の白表示となり、電圧の上昇とともに透過率が減少し、電圧１０Ｖを印加すると、最小透過率の黒表示となったことが理解できる。即ち、電圧４．５〜１０Ｖの範囲では、白表示〜黒表示の第２の階調領域が得られた。この階調領域では、階調のつぶれや階調反転が生じない視野角限界は、極角±６０°程度であり、広視野角表示モードであったことが理解できる。図６のコントラストマップからも、４．５Ｖでは広視野角の範囲で白表示が得られ、電圧を上昇させると、広範囲において透過率が一様に低下し、１０Ｖでは、一様に黒表示になっていることが理解できる。

［実施例２］
（液晶表示装置の作製）
実施例１で用いたのと同一のＶＡモード液晶セルを用いて、図４に示す構成と同様の構成の液晶表示装置を作製した。光学補償層１６として、波長５５０ｎｍの面内レターデーションＲｅが５２ｎｍ及び同波長の厚み方向レターデーションＲｔｈが５４６ｎｍ（即ち、Ｎｚ＝１１）の光学補償フィルムを用いた。この光学補償フィルムは、セルロースアシレートフィルムであった。この光学補償フィルムを、光学補償層１６として、その面内遅相軸１７を、透過軸１４ｂと平行にして、即ち、４５°方位角方向にして配置した。

（評価）
作製した液晶表示装置に電圧を２．１〜２．７Ｖ印加した時を第１の階調領域、電圧を４．５〜１０Ｖ印加した時を第２の階調領域とし、それぞれの階調領域において、極角±８０°、方位角０°（偏光子の透過軸は方位角４５°及び１３５°の方向）での透過率を調べた。なお、印加電圧２．１〜２．７Ｖでは、液晶層のＲｅ［４５］は０〜１３０ｎｍ程度であり、印加電圧４．５〜１０Ｖでは、液晶層のＲｅ［４５］は４２５〜
５５０ｎｍ程度であった。
結果を図７に示す。また、種々の電圧を印加した際の、画面面内におけるコントラストマップを図８に示す。

図７（ａ）のグラフに示した結果より、電圧２．１Ｖでは最小透過率の黒表示になり、電圧の上昇とともに透過率も上昇し、電圧２．７Ｖを印加すると、最大透過率の白表示になったことが理解できる。即ち、電圧２．１〜２．７Ｖの範囲では、黒表示〜白表示の第１の階調領域が得られた。この階調領域では、階調のつぶれや階調反転が生じない視野角限界は、極角±６０°以上であり、広視野角表示モードであったことが理解できる。図８のコントラストマップからも、２．１Ｖでは広狭視野角の範囲で一様に黒表示が得られ、電圧を上昇させると、透過率が上昇し、２．７Ｖでは、白表示になっていることが理解できる。

図７（ｂ）のグラフに示した結果より、電圧４．５Ｖでは最大透過率の白表示になり、電圧の上昇とともに透過率が減少し、電圧１０Ｖを印加すると、最小透過率の黒表示になったことが理解できる。即ち、電圧４．５〜１０Ｖの範囲では、白表示〜黒表示の第２の階調領域が得られた。この階調領域では、階調のつぶれや階調反転が生じない視野角限界は、極角±３０°程度であり、狭視野角表示モードであったことが理解できる。図８のコントラストマップからも、４．５Ｖでは狭視野角の範囲で白表示が得られ、電圧を上昇させると、該範囲において透過率が低下し、１０Ｖでは、該範囲が黒表示になっていることが理解できる。

本発明の液晶表示装置の一実施形態の模式図である。 図１の液晶表示装置の各部材の光軸の関係を示す模式図である。 図１の液晶表示装置の透過率と、印加電圧との関係を模式的に示すグラフである。 本発明の液晶表示装置の他の実施形態の模式図である。 実施例１で作製した液晶表示装置について、種々の電圧を印加した際の階調特性を示すグラフである。 実施例１で作製した液晶表示装置について、各電圧印加時の表示面内のコントラストマップである。 実施例２で作製した液晶表示装置について、種々の電圧を印加した際の階調特性を示すグラフである。 実施例２で作製した液晶表示装置について、各電圧印加時の表示面内のコントラストマップである。

符号の説明

１０ 液晶セル
１０ａ 液晶層遅相軸
１２ａ、１２ｂ 偏光子
１４ａ、１４ｂ 透過軸
１６ 光学補償層
１７ 光学補償層の面内遅相軸

Claims (2)

1. 少なくとも偏光板と、液晶セルとを有する複屈折モードの液晶表示装置であって、
   ０ｎｍ≦Ｒｅ［４５］≦２７５ｎｍを満足する印加電圧領域である第１の階調領域と、
   ２７５ｎｍ≦Ｒｅ［４５］≦５５０ｎｍを満足する印加電圧領域である第２の階調領域と、を有し、
   第１の階調領域が狭視野角特性で且つ第２の階調領域が広視野角特性、又は
   第１の階調領域が広視野角特性で且つ第２の階調領域が狭視野角特性であり、
   液晶セルと偏光板との間に、偏光子の透過軸に対して４５度の方向に遅相軸を有する光学補償層を有さないことを特徴とする複屈折モード液晶表示装置：
   但し、ここでＲｅ［４５］は、偏光子の透過軸に対して４５度の方向に遅相軸を持つ位相差の総和である。
2. 第１の階調領域が広視野角特性で且つ第２の階調領域が狭視野角特性であり、及び
   液晶セルと偏光板との間に、偏光子の透過軸に対して０度又は９０度の方向に遅相軸を有する、Ｎｚが０〜２０の光学補償層を有することを特徴とする請求項１に記載の複屈折モード液晶表示装置。

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