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JP5602221B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ブルー相液晶モードに特定の複合構成偏光板セットを適用して広視野角確保が可能な液晶表示装置に関する。
液晶表示装置(liquid crystal display;LCD)は、開発初期のさまざまな技術的な難題を解決して、現在、大衆的な画像表示装置として広く使用されている。これらの液晶表示装置は、映像を表示する液晶表示パネル及び液晶表示パネルに光を提供するバックライトアセンブリーを含む。
液晶表示パネルに用いられる液晶としては、ネマチック(NEMATIC)液晶、スメクティック(SMECTIC)液晶及びコレステリック(CHOLESTERIC)液晶などが挙げられ、主にネマチック液晶が用いられる。これらのネマチック液晶は、画素電極と共通電極の間に形成された電界により傾斜角が調節され、液晶層はネマチック液晶の傾斜角に応じて光透過率を調節する。これにより液晶表示パネルの輝度は、液晶層の厚み、即ち液晶表示パネルのセルギャップと液晶の異方性屈折率により決まる。
このようなセルギャップの依存度及び視野角の低下を誘発する異方性屈折率の問題を乗り越えるために、ブルー相液晶を有する液晶表示パネルが提案された[アメリカ特許第4,767,149号]。ブルー相液晶は、印加電圧の大きさに応じて異方性屈折率が等方性に変わる特性を有するので、液晶表示パネルの視野角及び回答速度を向上させることができる。
一方、ブルー相液晶をノーマルブラックで具現するときに、広視野角確保に容易な面内切替式(IPS:In−Plane−Switching)液晶表示装置用画素電極、共通電極及び複合構成偏光板を適用することが一般的である[大韓民国公開特許第2008−67041号]。
上記の面内切替式液晶表示装置用複合構成偏光板は、液晶セルの両方に位置し、一方の液晶セルと偏光子の間には等方性保護フィルムを含み、他方の液晶セルと偏光子の間には光学特性の異なる2枚の補償層または厚み配向フィルム(または3次元位相差フィルム)が位置する。
しかし、複合構成偏光板内に光学的性質の異なる2枚の補償層を使用するので、従来の他の液晶モードを用いた液晶表示装置に比べて単価が高く、薄型化が難しいだけでなく、液晶セルの両方の厚みがばらついていて温度や湿度の変化による曲がりが発生する可能性が高い。特に厚み配向フィルムは、製造時に収縮フィルムを適用する収縮工程が必ず要求されるのでコストが非常に高い問題がある。
したがって面内切替式液晶表示装置と同等以上の広視野角の具現が可能でありながら、構造が単純でかつコストが低いため、大量生産が容易なブルー相液晶用の液晶表示装置が切実に求められている実情である。
本発明は、構造が単純かつ容易であって大量生産が可能な複合構成偏光板セットと、上記複合構成偏光板セットを適用して従来の液晶表示装置の中で特に広視野角確保が容易な面内切替式液晶表示装置と同等以上の広視野角の具現が可能であり、価格競争力に優れたブルー相液晶モード液晶表示装置を提示しようとする。
本発明は、第1複合構成偏光板及び第2複合構成偏光板を含み、第1複合構成偏光板と第2複合構成偏光板は、それぞれ、位相差フィルム、偏光子及び保護フィルムからなり、第1複合構成偏光板の位相差フィルムは、正面位相差値(R0)が15〜130nmであり、屈折率比(NZ)が−6.0〜−0.1であり、遅相軸が隣接した偏光子の吸収軸と平行になるように配置され、第2複合構成偏光板の位相差フィルムは正面位相差値(R0)が15〜130nmであり、屈折率比(NZ)が1.1〜7.0であり、遅相軸が隣接した偏光子の吸収軸と直交するように配置された複合構成偏光板セットを、ブルー相液晶モードの上側偏光板及び下側偏光板として含む液晶表示装置であることにその特徴がある。
本発明は、構造が単純であるため薄型化に有利であり、製造工程が容易であるため大量生産が可能な複合構成偏光板セットであって、これを適用した液晶表示装置は、従来に比べて特に広視野角確保が容易な面内切替式液晶表示装置と対比して同等以上の広視野角の具現が可能である。
図1は、本発明に係る一例の垂直配向液晶表示装置の構造を示す斜視図である。 図2は、本発明に係る位相差フィルムの屈折率を説明するための模式図である。 図3は、本発明に係る位相差フィルムと偏光板の延伸方向を説明するための製造過程上のMD方向を示す模式図である。 図4は、本発明の座標系でθ、φで表現することを説明するための模式図である。 図5は、実施例1で使用された第2位相差フィルムの全波長波長分散性を示したグラフである。 図6は、実施例1で使用された第1位相差フィルムの全波長波長分散性を示したグラフである。 図7は、本発明に係る実施例1の全ての視角からの透過率をシミュレーションした結果である。 図8は、本発明の実施例1で傾斜面(θ=60゜、φ=45゜)方向に出る光の偏光状態変化をポアンカレ球(Poincare Sphere)上に示したものである。 図9は、本発明の液晶モードに面内切替式液晶表示装置用複合構成偏光板セットを適用したとき、全ての視角からの透過率をシミュレーションした結果である。 図10は、本発明に係る実施例2の全ての視角からの透過率をシミュレーションした結果である。 図11は、本発明の実施例2で傾斜面(θ=60゜、φ=45゜)方向に出る光の偏光状態変化をポアンカレ球(Poincare Sphere)上に示したものである。 図12は、本発明に係る実施例3の全ての視角からの透過率をシミュレーションした結果である。 図13は、本発明の実施例3で傾斜面(θ=60゜、φ=45゜)方向に出る光の偏光状態変化をポアンカレ球(Poincare Sphere)上に示したものである。 図14は、本発明に係る実施例4の全ての視角からの透過率をシミュレーションした結果である。 図15は、本発明の実施例4で傾斜面(θ=60゜、φ=45゜)方向に出る光の偏光状態変化をポアンカレ球(Poincare Sphere)上に示したものである。 図16は、本発明に係る実施例5の全ての視角からの透過率をシミュレーションした結果である。 図17は、本発明の実施例5で傾斜面(θ=60゜、φ=45゜)方向に出る光の偏光状態変化をポアンカレ球(Poincare Sphere)上に示したものである。 図18は、本発明に係る実施例6の全ての視角からの透過率をシミュレーションした結果である。 図19は、本発明の実施例6で傾斜面(θ=60゜、φ=45゜)方向に出る光の偏光状態変化をポアンカレ球(Poincare Sphere)上に示したものである。 図20は、本発明の実施例7の全ての視角からの透過率をシミュレーションした結果である。 図21は、本発明の実施例7で傾斜面(θ=60゜、φ=45゜)方向に出る光の偏光状態変化をポアンカレ球(Poincare Sphere)上に示したものである。 図22は、本発明の実施例8の全ての視角からの透過率をシミュレーションした結果である。 図23は、本発明の実施例8で傾斜面(θ=60゜、φ=45゜)方向に出る光の偏光状態変化をポアンカレ球(Poincare Sphere)上に示したものである。 図24は、本発明の実施例9の全ての視角からの透過率をシミュレーションした結果である。 図25は、本発明の実施例9で傾斜面(θ=60゜、φ=45゜)方向に出る光の偏光状態変化をポアンカレ球(Poincare Sphere)上に示したものである。 図26は、本発明の実施例10の全ての視角からの透過率をシミュレーションした結果である。 図27は、本発明の実施例10で傾斜面(θ=60゜、φ=45゜)方向に出る光の偏光状態変化をポアンカレ球(Poincare Sphere)上に示したものである。 図28は、本発明の比較例1の全ての視角からの透過率をシミュレーションした結果である。 図29は、本発明の比較例2の全ての視角からの透過率をシミュレーションした結果である。 図30は、本発明の比較例3の全ての視角からの透過率をシミュレーションした結果である。 図31は、本発明の比較例4の全ての視角からの透過率をシミュレーションした結果である。 図32は、本発明の比較例5の全ての視角からの透過率をシミュレーションした結果である。 図33は、本発明の比較例6の全ての視角からの透過率をシミュレーションした結果である。
本発明は、特定の光学特性を有する位相差フィルムが積層された第1複合構成偏光板及び第2複合構成偏光板を含む複合構成偏光板セットに関する。具体的に、複合構成偏光板セットの第1複合構成偏光板と第2複合構成偏光板は、それぞれ、位相差フィルム、偏光子及び保護フィルムからなる。
上記第1複合構成偏光板の位相差フィルムは正面位相差値(R0)が15〜130nmであり、屈折率比(NZ)が−6.0〜−0.1であり、第2複合構成偏光板の位相差フィルムは正面位相差値(R0)が15〜130nmであり、 屈折率比(NZ)が1.1〜7.0であるものを使用する。このとき、上記第1複合構成偏光板の位相差フィルムは、遅相軸が隣接した偏光子の吸収軸と平行に配置され、 第2複合構成偏光板の位相差フィルムは、遅相軸が隣接した偏光子の吸収軸と直交するように配置される。
本発明で位相差フィルムの光学特性は、可視光線領域内の全波長に対して、下記の数式1〜3で定義される。
光源の波長に対する言及がない場合は、波長が589nmの光に対する光学特性である。ここで、Nxは、面内方向で屈折率が最大である軸方向の屈折率であり、Nyは、面内方向でNxと垂直方向の屈折率であり、Nzは、厚み方向の屈折率であり、それらは以下に説明するように図2に示される。
[数1]
Rth=[(Nx+Ny)/2−Nz]×d
(ここで、Nx、Nyは面内屈折率であってNx≧Nyであり、Nzはフィルムの厚み方向で振動する光の屈折率、dはフィルムの厚みを示す)
[数2]
R0=(Nx−Ny)×d
(ここで、Nx、Nyは位相差フィルムの面内屈折率であり、dはフィルムの厚みを示し、Nx≧Nyである)
[数3]
NZ=(Nx−Nz)/(Nx−Ny)=Rth / R0+0.5
(ここで、 Nx、Nyは面内屈折率であってNx≧Nyであり、Nzはフィルムの厚み方向で振動する光の屈折率、dはフィルムの厚みを示す。)
本明細書では、上記Rthは厚み方向の位相差であり、厚み方向における面内平均屈折率との差を示すものであって、実質的な位相差とは言えない参考値であり、上記R0は正面位相差であり、光がフィルムをノーマル方向(垂直方向)で通過したときの実質的な位相差である。
また、NZは屈折率比であり、位相差フィルムのプレートの種類を区分することができる。位相差フィルムのプレートの種類は、位相差が存在しない光軸がフィルムの面内方向に存在する場合はAプレート、光軸が面の垂直方向に存在する場合はCプレート、及び光軸が2つ存在する場合は二軸性プレートと呼ばれる。
具体的に、NZ=1の場合は、屈折率はNx>Ny=Nzの関係を満たし、「ポジティブAプレート(POSITIVE A PLATE)」と呼ばれ、1<NZの場合は、屈折率はNx>Ny>Nzを満たし、「ネガティブ二軸性Aプレート(NEGATIVE BIAXIAL A PLATE)」と呼ばれ、0<NZ<1の場合は、屈折率はNx>Nz>Nyの関係を有し、「Z軸配向フィルム」と呼ばれ、NZ=0の場合は、屈折率はNx=Nz>Nyの関係を有し、「ネガティブAプレート(NEGATIVE A PLATE)」と呼ばれ、NZ<0の場合は、屈折率はNz>Nx>Nyの関係を有し、「ポジティブ二軸性Aプレート(POSITIVE BIAXIAL A PLATE)」と呼ばれ、NZ=∞の場合は、屈折率はNx=Ny>Nzの関係を有し、「ネガティブCプレート(NEGATIVE C PLATE)」と呼ばれ、NZ=−∞の場合は、屈折率はNz>Nx=Nyの関係を有し、「ポジティブCプレート(POSITIVE C PLATE)」と呼ばれる。
しかし、上記の理論的定義に完璧に一致するAプレート及びCプレートを作ることは実際の工程では不可能である。そのため、一般的な工程では、Aプレートの場合は屈折率比のおよその範囲を設定し、Cプレートの場合は正面位相差の範囲内の所定値を設定することにより、AプレートとCプレートとを区分している。この所定値の設定は、延伸に依存して異なる屈折率を有するすべて他の材料への適用では限られている。よって、本発明の第1及び第2複合構成偏光板に含まれる位相差フィルムは、屈折率異方性によるプレート(偏光板)の種類ではなく、プレートの光学特性であるNZ、RO及びRthなどを数値として示している。
これらの位相差フィルムは、延伸によって位相差が与えられるが、そのうちで、延伸方向に増加した屈折率を有するフィルムは、「正(+)の屈折率特性」を有しており、延伸方向に減少した屈折率を有するフィルムは、「負(−)の屈折率特性」を有している。正(+)の屈折率特性を有する位相差フィルムは、三酢酸セルロース(TAC)、シクロオレフィンポリマー(COP)、シクロオレフィンコポリマー(COC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリプロピレン(PP)、ポリカーボネート(PC)、ポリスルホン(PSF)及びポリメチルメタクリレート(PMMA)からなる群から選ばれたもので製造することができ、負(−)の屈折率特性を有する位相差フィルムは、具体的には変性ポリスチレン(PS)または変性ポリカーボネート(PC)で製造することができる。
また、位相差フィルムに光学特性を与える延伸方法は、固定端延伸と自由端延伸に分けられ、ここで固定端延伸とは、フィルムを延伸する間に延伸する方向以外の長さを固定する方式であり、自由端延伸とは、フィルムを延伸する間に延伸方向以外の方向に対して自由度を与える方式である。一般的に、フィルムを延伸すると、延伸方向以外の方向は収縮するが、Z軸配向フィルムは、延伸以外に特定の収縮工程が要求される。
図3は巻いた状態の原料フィルムの方向を示すものであって、巻いたフィルムの展開方向(unrolled direction)をMD(機械方向:Machine Direction)方向と呼び、これに垂直な方向をTD(横断方向:Transverse Direction)方向と呼ぶ。このとき、工程でフィルムをMD方向の延伸を自由端延伸と呼び、TD方向の延伸を固定端延伸と呼ぶ。
1次工程だけを適用したとき、延伸方法によってNZとプレートの種類を整理すると、ポジティブAプレートは、正(+)の屈折率特性を有するフィルムを自由端延伸して製造することができ、ネガティブ二軸性Aプレートは、正(+)の屈折率特性を有するフィルムを固定端延伸して製造することができ、Z軸配向フィルムは、正(+)の屈折率特性又は負(−)の屈折率特性を有するフィルムを、自由端延伸した後に固定端収縮させて製造することができ、ネガティブAプレートは、負(−)の屈折率特性を有するフィルムを自由端延伸して製造することができ、そしてポジティブ二軸性Aプレートは、負(−)の屈折率特性を有するフィルムを固定端延伸して製造することができる。
上記延伸方法以外の追加工程を適用することにより、遅相軸(Slow Axis)の方向、位相差値及びNZの値を制御することができ、この追加工程は当分野において一般的に適用されている工程であれば特に限定されない。
本発明に係る複合構成偏光板セットは、それぞれ、位相差フィルム、偏光子及び保護フィルムからなる第1複合構成偏光板と第2複合構成偏光板で構成される。
第1複合構成偏光板の位相差フィルムは、正面位相差値(R0)が15〜130nmであり、屈折率比(NZ)が−6.0〜−0.1であるものを使用しているところ、本発明の条件で、屈折率比はその絶対値が小くなるほど偏光状態の分散性が小さくなって本発明の位相差フィルムとして容易に使用可能であり、正面位相差値(R0)は屈折率比により適切に組み合わせて使用することができる。上記屈折率比(NZ)が−6.0未満であれば、第1位相差フィルム、液晶セル及び第2位相差フィルムからなる最適の視野角効果を奏する液晶表示装置を通過した後の波長による偏光状態差を称する分散性が非常に大きくなるため、基準波長に対する補償がなされても他の波長に対する補償がまともになれないので、本発明の効果達成が難しく、屈折率比(NZ)が−0.1を超過すれば位相差フィルムの遅相軸とMD方向が異なっていてロール・ツー・ロール(roll−to−roll)工程に適用することが容易でない問題がある。
好ましくは正面位相差値(R0)が40〜130nmであり、屈折率比(NZ)が−2.0〜−0.1であるものを使用した方が良いところ、この範囲は光学特性と共に製造工程上の容易性を考慮したことである。現在、液晶表示装置に一般的に適用される均一な位相差値(目的値の±5nm以内)及び位相差角度(±0.5°)を有する位相差フィルムを製造するための位相差値は40nm以上は維持しなければならない。また、−2.0〜−0.1の屈折率比(NZ)はTD1軸延伸工程だけで本発明が目的とする位相差フィルムの製造が可能な範囲である。より好ましくは、実際工程上で均一な位相差値及び位相差角度を有する位相差フィルムの製造が容易である位相差の最小値が50nm以上であるため、正面位相差値(R0)は50〜130nmであり、実際工程上のTD1軸延伸工程が容易な屈折率比は−1.0〜−0.1を維持した方が良い。このとき、TD1軸延伸は2軸延伸に比べて工程が簡単であるため生産原価の節減に容易である。
このような第1複合構成偏光板の位相差フィルムは、遅相軸が隣接した偏光子の吸収軸と平行になるように配置される。
第2複合構成偏光板の位相差フィルムは、正面位相差値(R0)が15〜130nmであり、屈折率比(NZ)が1.1〜7.0であるものを使用するところ、より優れた広視野角確保は、屈折比はその絶対値が小くなるほど容易であり、正面位相差値(R0)は屈折率比により適切に組み合わせて使用することができる。また、第1複合構成偏光板の位相差フィルムと光学特性を考慮して広視野角確保が容易な組合を使用する。
好ましくは、正面位相差値(R0)は40〜130nmで、屈折率比(NZ)は1.1〜3.0であり、より好ましくは、正面位相差値(R0)は50〜130nmで、屈折率比(NZ)は1.1〜2.0を維持した方が良い。これらの範囲も上記第1複合構成偏光板の位相差フィルムのように光学特性と共に製造工程上の容易性を考慮して限定したものである。
このような第2複合構成偏光板の位相差フィルムは、隣接した偏光子の吸収軸と直交するように配置される。
一般的に位相差フィルムは入射される波長によって異なる位相差値を有する。通常、短波長で大きい位相差値を有し、長波長で小さい位相差値を有するが、このような特性を有する位相差フィルムを、正波長分散性を有する位相差フィルムと呼ぶ。また短波長で小さい位相差値を有し、長波長で大きい位相差値を有するフィルムを、逆波長分散性を有する位相差フィルムと呼ぶ。本発明は、このような位相差フィルムの分散性に関係なく、全て使用可能である。
本発明で位相差フィルムの分散性は、当分野において一般的に使われている780nmの光源に対する位相差値と、380nmの光源に対する位相差値との比で示す。参考までに、全ての波長に対して同じ偏光状態にすることができる完璧な逆波長分散性を有する位相差フィルムの場合は、[R0(380nm)/ R0(780nm)]=0.4872の値を有する。
第1及び第2複合構成偏光板の偏光子には、それぞれ、延伸と染色などの工程を通じて偏光機能が与えられた偏光子であるポリビニルアルコール(PVA)層が位置し、第1複合構成偏光板のポリビニルアルコール(PVA)層と第2複合構成偏光板のポリビニルアルコール(PVA)層には、液晶セルと対向する側に、それぞれ保護フィルムが位置されている。上記第1及び第2複合構成偏光板は当分野において一般的に適用される工程で製造することができ、具体的には複合ロール・ツー・ロール(roll−to−roll)工程、シート・ツー・シート(Sheet to Sheet)工程を適用することができる。歩留り及び製造工程上の効率性などを考慮して、ロール・ツー・ロール(roll−to−roll)工程を適用するのが好ましく、特にPVA偏光子の吸収軸の方向が常にMD方向に固定されるので、この適用が効果的である。
この構成では、第1及び第2複合構成偏光板の保護フィルムは屈折率差による光学的特性が視野角に影響を及ぼさないので、本発明では屈折率が特に制限されない。上記第1及び第2複合構成偏光板の保護フィルムの材料としては、当分野において一般的に使われるものを適用することができ、具体的には三酢酸セルロース(TAC)、シクロオレフィンポリマー(COP)、シクロオレフィンコポリマー(COC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリプロピレン(PP)、ポリカーボネート(PC)、ポリスルホン(PSF)及びポリメチルメタクリレート(PMMA)からなる群から選ばれたものを使用することができる。
また、本発明はブルー相液晶と、液晶の上側及び下側偏光板に、それぞれ、特定の光学特性を有する位相差フィルムが配置された第1複合構成偏光板及び第2複合構成偏光板を含む複合構成偏光板セットを含む液晶表示装置に関する。上記液晶表示装置は上側偏光板として第1複合構成偏光板を配置し、下側偏光板として第2複合構成偏光板を配置するか、上側偏光板として第2複合構成偏光板を配置し、下側偏光板として第1複合構成偏光板を配置することができる。上記第1複合構成偏光板の吸収軸は第2複合構成偏光板の吸収軸と直交している。
本発明のブルー相液晶は電場の印加可否によって異方性から等方性に屈折率が変わるものである。これらの液晶は分子が3次元螺旋形で捻られて整列されたシリンダー形態のアレイからなるが、かかる配向構造をダブルツイストシリンダー(double twist cylinder、以下、DTCという)構造という。ブルー相液晶は、上記DTCの中心軸から外側方向を向いてますます捻られるように配置される。すなわち、ブルー相液晶は、上記DTC内で直交している二つのツイスト軸に沿って捻られるように配置され、DTCの中心軸を基準としてDTC内で方向性を有する。
このようなブルー相液晶は、第1ブルー相、第2ブルー相及び第3ブルー相があり、DTC内でブルー相の種類によってその配置構造が変わる。第1ブルー相はDTCが格子構造の1つの体心立方構造で配置され、第2ブルー相はDTCが単純立方構造で配置される。上記ブルー相は、DTCが格子構造で配置されるので、隣接した3つのDTCが接する部分でディスクリネーション(DISCLINATION)が発生する。上記ディスクリネーションは液晶が規則的な方向性を持たないため不規則に配列される部分であって、ディスクリネーションラインを形成する。
上記ブルー相液晶は印加された電圧の大きさによって異方性屈折率が上記印加電圧の二乗に比例して変わる。等方性有極性物質に電界を印加したとき、屈折率が印加電圧の二乗に比例する光学効果をカー効果(KERR EFFECT)といい、液晶表示装置はブルー相液晶のカー効果を用いて映像を表示するので回答速度が向上する。
また、ブルー相液晶は電界が形成される領域別に屈折率が決まる。上記電界が形成される領域が一定に形成されると、セルギャップ均一度に構わず、均一な輝度を有するので液晶表示装置の表示特性を向上させることができる。
本発明の光学条件で構成された液晶表示装置は、暗(Black)状態で全ての視角からの最大透過率が0.05%以下、好ましくは0.02%以下の補償関係を満たす。現在量産されている最も明るい液晶表示装置の正面輝度は、垂直配向モード(VA Mode)を使用して約10000nits程度を示し、60゜傾斜面の視野角では明るさが約10000nits×cos60゜程度であり、これに対する0.05%は2.5nitsである。よって、本発明は垂直配向モードを適用した液晶表示装置と同等以上の全ての視角からの透過度を具現しようとする。
図1は、本発明に係るブルー相液晶用の液晶表示装置の基本構造を示す斜視図であり、これを用いて説明すれば、下記のとおりである。
本発明に係るブルー相液晶用の液晶表示装置はバックライトユニット40側から第2保護フィルム13、第2偏光子11、第2位相差フィルム14、ブルー相(blue phase)液晶セル30、第1位相差フィルム24、第1偏光子21、第1保護フィルム23の順に積層される。視認側から見たときに、上記第1偏光子21の吸収軸12と第2偏光子11の吸収軸22は直交しており、第1位相差フィルムの遅相軸と第1偏光子の吸収軸は平行であり、第2位相差フィルムの遅相軸と第2偏光子の吸収軸は直交している。具体的には、図1(a)は第1複合構成偏光板が上側偏光板として配置されたもので、第1位相差フィルム24の遅相軸25と第1偏光子21の吸収軸22は平行に配置され、第2位相差フィルム14の遅相軸15と第2偏光子11の吸収軸12は直交するように配置されたものであり、図1(b)は第1複合構成偏光板が下側偏光板として配置されたもので、第1位相差フィルム24の遅相軸25と第1偏光子21の吸収軸22は平行に配置され、第2位相差フィルム14の遅相軸15と第2偏光子11の吸収軸12は直交するように配置されたものである。
本発明の第1複合構成偏光板20及び第2複合構成偏光板10は大量生産が容易なロール・ツー・ロール(roll−to−roll)方式を適用して製造される。図3は、ロール・ツー・ロール製造工程上のMD方向を説明する模式図であり、これを参照して図1(a)の構成を以下に具体的に説明する。
第1複合構成偏光板20及び第2複合構成偏光板10は、さまざまな光学フィルムの組合で作られ、それぞれの光学フィルムは複合構成偏光板に接合される前に巻いた(Roll)状態で存在する。巻いた状態でフィルムが展開するか巻かれる方向をMD(Machine Direction)方向と言う。第2複合構成偏光板10の場合、第2保護フィルム13の方向とは関係がなく、第2偏光子11の吸収軸12と第2位相差フィルム14の遅相軸15のMD方向だけを一致させ、第1複合構成偏光板20の場合、第1保護フィルム23の方向とは関係がなく、第1偏光子21と第1位相差フィルム24のMD方向だけを一致させればロール・ツー・ロール(roll−to−roll)生産が可能である。
また、バックライトユニットに近い第2偏光子11の吸収軸12が垂直方向である時、第2複合構成偏光板10を通過した光は水平方向に偏光され、これはパネルの電圧が印加された液晶セルを通過して明の状態になるときに、光は垂直方向になって吸収軸が水平方向である視認側の第1複合構成偏光板20を通過する。このとき、視認側から、吸収軸が水平方向である偏光サングラス(偏光サングラスの吸収軸は水平方向である)をかけている人も液晶表示装置から出た光を認知することができる。もし、バックライトユニットに近い第2偏光子11の吸収軸12が水平方向である場合は、偏光サングラスをかけた人には画像が見えなくなる問題が発生する。また、大型液晶表示装置の場合、視認側で画像がよく見えるようにするために、人間の主視野が垂直方向よりも水平方向が広いということを考慮して、広告用などの特殊目的液晶表示装置を除いた一般的な液晶表示装置では、4:3または16:9の形態で製作される。よって視認側から見たときに、下側偏光子の吸収軸は垂直、上側偏光子の吸収軸は平行である。
本発明の視野角補償の効果はポアンカレ球(Poincare Sphere)を通じて説明することができる。ポアンカレ球(Poincare Sphere)は、特定視角における偏光状態の変化を表現するのにとても有用な方法であるため、ポアンカレ球は、偏光を用いて画像を表示する液晶表示装置の中を特定視角に沿って進行する光が、液晶表示装置の内部のそれぞれの光学素子を通過するときの偏光状態の変化を示すことができる。本発明において「特定視角」とは、図4に示した半円座標系でθ=60゜、φ=45゜の方向であり、この方向に出る光の偏光状態変化を人間がもっとも明るく感じる波長550nmを基準として説明する。具体的に、φ方向の面を、正面のφ+90゜の軸の周りで視認側にθだけ回転させたときに、正面方向から出る光に対する偏光状態変化をポアンカレ球上に示したものである。ポアンカレ球上で、S3軸の座標が正(+)を示すときに右円偏光を示し、ここで、右円偏光とは、ある偏光水平成分をEx、偏光垂直成分をEyとしたときに、光のEx成分のEy成分に対する位相の遅れ(位相遅延)が0より大きく、半波長より小さいことを言う。
以下、上記構成において、電圧非印加時の全視野角における暗状態の具現に対する効果を、実施例と比較例を通して記述する。本発明は下記の実施例によってより理解しやすくなるが、下記の実施例は本発明の単なる例示を提供するものであり、添付された特許請求の範囲によって請求される保護範囲を制限するものではない。
実施例
下記の実施例1〜実施例10、及び比較例1〜比較例6では、LCDシミュレーションシステムであるTECH WIZ LCD 1D(サナイシステム社、韓国)を用いたシミュレーションを通して広視野角効果を比べた。
実施例1
本発明に係る各光学フィルム、液晶セル及びバックライトなどの実測データを、図1(a)に示すような積層構造と共に、TECH WIZ LCD 1D(サナイシステム社、韓国)に使用した。図1(a)の構造を以下に具体的に説明する。
バックライトユニット40側から第2保護フィルム13、第2偏光子11、第2位相差フィルム14、ブルー相(blue phase)液晶セル30、第1位相差フィルム24、第1偏光子21、第1保護フィルム23で構成され、第2偏光子11の吸収軸12は視認側から見たときに垂直方向であり、第1偏光子21の吸収軸22は視認側から見たときに水平方向であり、第1偏光子21の吸収軸12と第2偏光子11の吸収軸22は直交し、第1位相差フィルム24の遅相軸25と第1偏光子21の吸収軸22は平行である。また、第2位相差フィルム14の遅相軸15と第2偏光子の吸収軸12は直交している。
液晶セルは電場を印加しないときに、屈折率等方性を有し、電場を印加すれば電場を印加した方向に屈折率が大きくなるもので、このような液晶モードの試製作品はブルー相(Blue Phase)液晶(サムソン電子、SID2008)を使用した。これを適用する場合、初期液晶配向が必要ではないため、液晶セル製作工程が簡単になる。
一方、本発明の実施例1で使われたそれぞれの光学フィルム及びバックライトは、下記のような光学的物性を有している。
まず、上側偏光子21及び下側偏光子11は延伸されたPVAをヨウ素で染色して偏光子機能を付与しており、このような偏光子の偏光性能は、370〜780nmの可視光線領域では、視感度の偏光度99.9%以上、視感度の単体透過率41%以上である。視感度偏光度と視感度単体透過率は、波長による透過軸の透過率をTD(λ)、波長による吸収軸の透過率をMD(λ)、JIS Z 8701:1999に定義された視感度の補償値を
としたとき、下記の数式4〜8で定義される。ここでS(λ)は光源スペクトラムであり、光源はC光源である。
[数4]
[数5]
[数6]
[数7]
[数8]
各フィルムの方向による内部屈折率差によって生じる光学特性について、波長589.3nmで、下側の第2位相差フィルム14は、正面位相差値(R0)が80nmで、屈折率比(NZ)が1.1であるものを使用し、上側の第1位相差フィルム24は正面位相差値(R0)が90nmで、屈折率比(NZ)が−0.11であるものを使用した。
上記第2位相差フィルム14の波長分散性は、正面位相差(波長、380nm)/正面位相差(波長、780nm)=[R0(380nm)/R0(780nm)]は0.862であり、図5のような全波長波長分散度を示し、上記第1位相差フィルム24の波長分散性は正面位相差(波長、380nm)/正面位相差(波長、780nm)=[R0(380nm)/R0(780nm)]は1.197であり、図6のような全波長波長分散度を示す。
上側及び下側偏光子の外側の第1保護フィルム13及び第2保護フィルム23として入射光589.3nmに対して厚み方向位相差値(Rth)が50nmである光学特性を有する三酢酸セルロース(TAC)を使用した。バックライトユニットとしては、サムソン電子46インチ液晶TV PAVV(LTA460HR0)に搭載されたバックライト実測スペクトラムデータを使用した。
上記の各光学素子を図1(a)に示すように積層した後、全方位からの光の透過率のシミュレーションを実施した結果を図7に示す。本発明の基準視角(θ=60゜、φ=45゜)で波長550nmの偏光状態の変化は図8に示し、ポアンカレ球(Poincare Sphere)上で第2偏光子11を通過した時の偏光状態は1、第2位相差フィルム14を通過した時の偏光状態と液晶セルを通過した時の偏光状態は2、第1位相差フィルム24を通過した時の偏光状態は3で示す。
図7は、暗(BLACK)を画面に表示する場合の全ての視角からの透過率分布を示したものであって、スケール上の範囲は透過率0%〜0.05%であり、暗を示すときの透過率0.05%を超過した部位は赤色、透過率が低い部位は青色で示す。このとき、中央の青色の範囲が広いほど広い視野角を示すことであって、広視野角の確保が可能であるということが確認できた。
このように、面内切替式液晶表示装置用偏光板(I Plus Pol構成、東友ファインケム、韓国)を本発明の液晶モードに適用したときの全ての視角からの透過率を示した図9より優れた視野角補償効果を奏することを確認した。
実施例2
上記実施例1と同様に構成されるが、589.3nmで第2位相差フィルム14は、正面位相差値(R0)が35nmであり、屈折率比(NZ)が6.9であるものを使用し、第1位相差フィルム24は、正面位相差値(R0)が35nm、屈折率比(NZ)が−5.9であるものを配置してブルー相液晶用の液晶表示装置を製造した。
図10は、暗(BLACK)を画面に示す場合の全ての視角からの透過率分布を示したものであって、スケール上の範囲は透過率0%〜0.05%であり、暗を示すときの透過率0.05%を超過した部位は赤色、透過率が低い部位は青色で示す。このとき、中央の青色の範囲が広いほど広い視野角を示すことであって、広視野角の確保が可能であるということが確認できた。また、面内切替式液晶表示装置用偏光板(I Plus Pol構成、東友ファインケム、韓国)を本発明の液晶モードに適用したときの全ての視角からの透過率を示した図9と同等な視野角補償効果を奏することを確認した。
図11は実施例2の光学補償原理をポアンカレ球上に示したものであり、図8は実施例1の光学補償原理をポアンカレ球上に示したものであり、上記ポアンカレ球上の二つの経路間に補償可能な経路が無数に多く存在することが分かる。また、第1位相差フィルム24及び第2位相差フィルム14の単独により光学特性がよくなることではなく、第2位相差フィルム14の光学特性による最適は第1位相差フィルム24の光学特性が決まることが分かる。
実施例3
上記実施例1と同様に構成されるが、589.3nmで第2位相差フィルム14は、正面位相差値(R0)が129nmであり、屈折率比(NZ)が1.1であるものを使用し、第1位相差フィルム24は、正面位相差値(R0)が17nm、屈折率比(NZ)が−5.9であるものを配置してブルー相液晶用の液晶表示装置を製造した。
図12は、暗(BLACK)を画面に示す場合の全ての視角からの透過率分布を示したものであって、広視野角の確保が可能であることが確認できた。図13は本発明の基準視角(θ=60゜、φ=45゜)で波長550nmの偏光状態の変化を示したものである。
実施例4
上記実施例1と同様に構成されるが、589.3nmで第2位相差フィルム14は、正面位相差値(R0)が17nmであり、屈折率比(NZ)が6.9であるものを使用し、第1位相差フィルム24は、正面位相差値(R0)が129nm、屈折率比(NZ)が−0.11であるものを配置してブルー相液晶用の液晶表示装置を製造した。
図14は、暗(BLACK)を画面に示す場合の全ての視角からの透過率分布を示したものであって、広視野角の確保が可能であることが確認できた。図15は本発明の基準視角(θ=60゜、φ=45゜)で波長550nmの偏光状態の変化を示したものである。
実施例5
上記実施例1と同様に構成されるが、図1(b)のようにバックライトユニット40側から第1保護フィルム23、第1偏光子21、第1位相差フィルム24、ブルー相(blue phase)液晶セル30、第2位相差フィルム14、第2偏光子11、第2保護フィルム13が配置されるように構成した。上記第1偏光子21の吸収軸22は、視認側から見たときに垂直方向であり、第2偏光子11の吸収軸12は視認側から見たときに水平方向であり、第1偏光子21の吸収軸22と第2偏光子11の吸収軸12は直交するように構成し、第2位相差フィルム14の遅相軸15と第2偏光子11の吸収軸12は直交するように構成し、第1位相差フィルム24の遅相軸25と第1偏光子21の吸収軸22は水平となるように構成した。
各フィルムの方向による内部屈折率差により生ずる光学特性は、波長589.3nmで、第2位相差フィルム14は正面位相差値(R0)が80nmであり、 屈折率比(NZ)が1.1であるものを使用し、第1位相差フィルム24は正面位相差値(R0)が90nm、屈折率比(NZ)が−0.11であるものを使用した。
上記第2位相差フィルム14の波長分散性は正面位相差(波長380nm)/正面位相差(波長780nm)=[R0(380nm)/R0(780nm)]は0.862であり、図5のような全波長波長分散度を示し、上記第1位相差フィルム24の波長分散性は正面位相差(波長 380nm)/正面位相差(波長 780nm)=[R0(380nm)/R0(780nm)]は1.197であり、図6のような全波長波長分散度を示す。
上記各光学的構成要素を図1(b)のように積層し、全ての視角からの透過率シミュレーションを実施した結果、図16のような結果が得られた。本発明の基準視角(θ=60゜、φ=45゜)で波長550nmの偏光状態の変化は図17に示し、ポアンカレ球(Poincare Sphere)上で第1偏光子21を通過したときに偏光状態は1、第1位相差フィルム24を通過した時の偏光状態と液晶セルを通過した時の偏光状態は2、第2位相差フィルム14を通過した時の偏光状態は3で示す。
図16は、暗(BLACK)を画面に示す場合の全ての視角からの透過率分布を示したものであって、スケール上の範囲は透過率0%〜0.05%であり、暗を示すときの透過率0.05%を超過した部位は赤色、透過率が低い部位は青色で示す。このとき、中央の青色の範囲が広いほど広い視野角を示すことであって、広視野角の確保が可能であることが確認できた。
このように、面内切替式液晶表示装置用偏光板(I Plus Pol構成、東友ファインケム、韓国)を本発明の液晶モードに適用したときの全ての視角からの透過率を示した図9よりも優れた視野角補償効果を示すことを確認した。
実施例6
上記実施例5と同様に図1(b)のように積層して構成されるが、589.3nmで、第2位相差フィルム14は正面位相差値(R0)が35nmであり、 屈折率比(NZ)が6.9であるものを使用し、第1位相差フィルム24は正面位相差値(R0)が35nm、屈折率比(NZ)が−5.9であるものを配置してブルー相液晶用の液晶表示装置を製造した。
図18は、暗(BLACK)を画面に表示する場合の全ての視角からの透過率分布を示したものであって、広視野角の確保が可能であることが確認できた。図19は本発明の基準視角(θ=60゜、φ=45゜)で波長550nmの偏光状態の変化を示したものである。
実施例7
上記実施例5と同様に図1(b)のように積層して構成されるが、589.3nmで、第2位相差フィルム14は正面位相差値(R0)が129nmであり、屈折率比(NZ)が1.1であるものを使用し、第1位相差フィルム24は正面位相差値(R0)が17nm、屈折率比(NZ)が−5.9であるものを配置してブルー相液晶用の液晶表示装置を製造した。
図20は、暗(BLACK)を画面に表示する場合の全ての視角からの透過率分布を示したものであって、広視野角の確保が可能であることが確認できた。図21は本発明の基準視角(θ=60゜、φ=45゜)で波長550nmの偏光状態の変化を示したものである。
実施例8
上記実施例5と同様に図1(b)のように積層して構成されるが、589.3nmで、第2位相差フィルム14は正面位相差値(R0)が17nmであり、 屈折率比(NZ)が6.9であるものを使用し、第1位相差フィルム24は正面位相差値(R0)が129nm、屈折率比(NZ)が−0.11であるものを配置してブルー相液晶用の液晶表示装置を製造した。
図22は、暗(BLACK)を画面に表示する場合の全ての視角からの透過率分布を示したものであって、広視野角の確保が可能であることが確認できた。図23は本発明の基準視角(θ=60゜、φ=45゜)で波長550nmの偏光状態の変化を示したものである。
実施例9
上記実施例1と同様に構成されるが、589.3nmで、第2位相差フィルム14は正面位相差値(R0)が49nmであり、屈折率比(NZ)が3であるものを使用し、第1位相差フィルム24は正面位相差値(R0)が49nm、屈折率比(NZ)が−1.9であるものを配置してブルー相液晶用の液晶表示装置を製造した。
図24は、暗(BLACK)を画面に表示する場合の全ての視角からの透過率分布を示したものであって、広視野角の確保が可能であることが確認できた。図25は本発明の基準視角(θ=60゜、φ=45゜)で波長550nmの偏光状態の変化を示したものである。
実施例10
上記実施例1と同様に構成されるが、589.3nmで、第2位相差フィルム14は正面位相差値(R0)が60nmであり、屈折率比(NZ)が2であるものを使用し、第1位相差フィルム24は正面位相差値(R0)が60nm、屈折率比(NZ)が−0.9であるものを配置してブルー相液晶用の液晶表示装置を製造した。
図26は、暗(BLACK)を画面に表示する場合の全ての視角からの透過率分布を示したものであって、広視野角の確保が可能であることが確認できた。図27は本発明の基準視角(θ=60゜、φ=45゜)で波長550nmの偏光状態の変化を示したものである。
比較例1
上記実施例1と同様に構成されるが、下側位相差フィルム14及び上側位相差フィルム24の光学特性が一般TAC(正面位相差値(R0)=2.0nm、厚み方向位相差値(Rth)=52nm)であるものを配置してブルー相液晶用の液晶表示装置を製造した。
上記液晶表示装置の全ての視角からの透過率シミュレーションを実施した結果は図28に示しており、図28のように暗(BLACK)状態で傾斜面透過度が高いため、視野角が狭いことが確認できた。
比較例2
上記実施例1と同様に構成されるが、下側位相差フィルム14及び上側位相差フィルム24は低価型面内切替式液晶表示装置に多く使われる0−TAC(正面位相差値(R0)=1nm、厚み方向位相差値(Rth)=2nm)であるものを配置してブルー相液晶用の液晶表示装置を製造した。
上記液晶表示装置の全ての視角からの透過率シミュレーションを実施した結果は図29に示しており、図29のように、暗(BLACK)状態で傾斜面透過度が高いため、視野角が狭いことが確認できた。
比較例3
上記実施例1と同様に構成されるが、第1位相差フィルム24の遅相軸25と第1偏光子21の吸収軸22を直交するように配置してブルー相液晶表示装置を製造した。
上記液晶表示装置の全ての視角からの透過率シミュレーションを実施した結果は図30に示しており、図30のように、暗(BLACK)状態で傾斜面透過度が高いため、視野角が狭いことが確認できた。
比較例4
上記実施例1と同様に構成されるが、589.3nmで、第2位相差フィルム14は正面位相差値(R0)が80nmであり、屈折率比(NZ)が1.1であるものを使用し、第1位相差フィルム24は正面位相差値(R0)が150nm、屈折率比(NZ)が−0.1であるものを配置してブルー相液晶用の液晶表示装置を製造した。
上記液晶表示装置の全ての視角からの透過率シミュレーションを実施した結果は図31に示しており、図31のように、暗(BLACK)状態で傾斜面透過度が高いため、視野角が狭いことが確認できた。
比較例5
上記実施例1と同様に構成されるが、589.3nmで、第2位相差フィルム14は正面位相差値(R0)が10nmであり、屈折率比(NZ)が8.0であるものを使用し、第1位相差フィルム24は、正面位相差値(R0)が55nm、屈折率比(NZ)が−6.0であるものを配置してブルー相液晶用の液晶表示装置を製造した。
上記液晶表示装置の全ての視角からの透過率シミュレーションを実施した結果は図32に示しており、図32のように、暗(BLACK)状態で傾斜面透過度が高いため、視野角が狭いことが確認できた。
比較例6
上記実施例1と同様に構成されるが、589.3nmで、第2位相差フィルム14は正面位相差値(R0)が100nmであり、屈折率比(NZ)が5.0であるものを使用し、第1位相差フィルム24は正面位相差値(R0)が10nm、屈折率比(NZ)が−7.0であるものを配置してブルー相液晶用の液晶表示装置を製造した。
上記液晶表示装置の全ての視角からの透過率シミュレーションを実施した結果は、図33に示しており、図33のように暗(BLACK)状態で傾斜面透過度が高いため、視野角が狭いことが確認できた。
産業上利用可能性
以上のように、本発明に係るブルー相液晶用の液晶表示装置は広い視野角を提供することができ、高い光学的水準が求められる大画面液晶表示装置に適用することができる。

Claims (8)

  1. 第1複合構成偏光板及び第2複合構成偏光板を含み、
    第1複合構成偏光板と第2複合構成偏光板は、それぞれ位相差フィルム、偏光子及び保護フィルムからなり、
    第1複合構成偏光板の位相差フィルムは、正面位相差値(R0)が15〜130nmであり、屈折率比(NZ)が−6.0〜−0.1であり、遅相軸が隣接した偏光子の吸収軸と平行になるように配置され、
    第2複合構成偏光板の位相差フィルムは、正面位相差値(R0)が15〜130nmであり、屈折率比(NZ)が1.1〜7.0であり、遅相軸が隣接した偏光子の吸収軸と直交するように配置された複合構成偏光板セットを、ブルー相液晶モードの上側偏光板及び下側偏光板として含むことを特徴とする液晶表示装置。
  2. ブルー相液晶モードは、ブルー相液晶分子が3次元螺旋形で捩じれて整列されたシリンダー形態のアレイからなることを特徴とする請求項に記載の液晶表示装置。
  3. 傾斜角(θ=60゜、φ=45゜)でブラックモードにおける透過率が0.05%以下の補償関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載液晶表示装置。
  4. 前記第1複合構成偏光板の位相差フィルムは、正面位相差値(R0)が40〜130nmであり、屈折率比(NZ)が−2.0〜−0.1であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の液晶表示装置。
  5. 前記第1複合構成偏光板の位相差フィルムは、正面位相差値(R0)が50〜130nmであり、屈折率比(NZ)が−1.0〜−0.1であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の液晶表示装置。
  6. 前記第2複合構成偏光板の位相差フィルムは、正面位相差値(R0)が40〜130nmであり、屈折率比(NZ)が1.1〜3.0であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の液晶表示装置。
  7. 前記第2複合構成偏光板の位相差フィルムは、正面位相差値(R0)が50〜130nmであり、屈折率比(NZ)が1.1〜2.0であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の液晶表示装置。
  8. 前記第1複合構成偏光板と第2複合構成偏光板の位相差フィルム及び保護フィルムは、互いに独立的に三酢酸セルロース(TAC)、シクロオレフィンポリマー(COP)、シクロオレフィンコポリマー(COC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリプロピレン(PP)、ポリカーボネート(PC)、ポリスルホン(PSF)及びポリメチルメタクリレート(PMMA)からなる群から選ばれたものから製造されたものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の液晶表示装置。
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