JP2814960B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

液晶表示装置

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JP2814960B2
JP2814960B2 JP7218443A JP21844395A JP2814960B2 JP 2814960 B2 JP2814960 B2 JP 2814960B2 JP 7218443 A JP7218443 A JP 7218443A JP 21844395 A JP21844395 A JP 21844395A JP 2814960 B2 JP2814960 B2 JP 2814960B2
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純一 平方
真一 小村
一行 舟幡
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Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は液晶表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、時分割駆動特性を有する液晶表示
装置は、背景あるいは表示の少なくとも一方が着色し、
白黒表示ができなかった。
【0003】しかし近年、液晶表示装置の画質の改善と
表示情報量の増大に対する要求が厳しくなっており、要
求仕様は白黒表示、さらにはカラー表示へと移行してい
る。このため図2において示す素子構造のように、液晶
素子を二層構造とし、二つの素子間で液晶層の厚みd
(μm)と液晶の屈折率の異方性Δnの積Δn・dを等
しくし、液晶分子のねじれを表わすツイスト角を等しく
し、しかもねじり方向を逆とした。これにより、図3に
液晶素子の偏光状態を示すように、液晶素子に入射した
直線偏光は、位相差を生じ楕円偏光となるが、逆ねじり
の液晶素子を配置することにより、位相補正が成され再
び直線偏光となり、白黒表示が可能となる(奥村,永
田,和田:テレビジョン学会技術報告、11,p79,
1987年)。一方、複屈折性フィルムを用いて、位相
補正を行い白黒表示を実現する方法も提案されている
(長江,平方,小村:テレビジョン学会技術報告、
,p29〜34,1988年)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、液晶
表示装置として、液晶素子を二枚用いる必要があり、量
産性が低かつた。また、液晶素子を斜めから見た場合、
背景部と表示部の輝度の比であるコントラスト比が大き
く変化し、視角特性が劣る。図4に液晶素子の左右方向
コントラスト比の視角特性を、図5に上下方向の視角特
性を示す。視角が大きくなるにつれ、コントラスト比は
低下し、視角が40度以上では、コントラスト比が1以
下になり、白黒反転現像が生じる。
【0005】また、複屈折性プラスチックフィルムを用
いた場合においては、位相差の波長依存性が考慮されて
おらず、図6に透過光の波長依存性を示すように、位相
補正が完全に成されず、コントラスト比が低いという問
題があった。
【0006】本発明の目的は、背景と表示部の色を無彩
色にし、カラー表示を可能にするとともに、高コントラ
スト比及び、表示特性の視角依存性を改善することにあ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は電極基板間に挟
持され、電極基板間の厚さ方向にねじられたらせん構造
を有するネマチック液晶層を有する液晶素子と、液晶素
子を挟んで設けられた一対の偏光板とを有する液晶表示
装置であって、電極基板と偏光板との間に光学的二軸性
結晶の複屈折性フィルムを配置し、複屈折性フィルムの
厚さ(d)と屈折率の異方性の差(Δn)との積、(Δ
n・d)2によって生じる位相差の波長依存性と、前記液
晶素子の厚さ(d)と屈折率の異方性の差(Δn)との
積(Δn・d)1と前記らせん構造のねじれ角θ1 によっ
て生じる位相差の波長依存性とがほぼ等しい液晶表示装
置である。
【0008】
【作用】優れた時分割駆動特性を有するツイステッドネ
マチックタイプと言われる液晶素子は、背景または表示
部の少なくとも一方に色がつく。これに対し、逆ねじり
の液晶素子を積層し、液晶素子を二層構造とすることに
より、位相補正を行い白黒表示が可能となるが、液晶素
子を斜めから見た場合コントラスト比が大きく変化し、
表示特性の視角依存性に問題があった。また、複屈折性
フィルムを用いた場合、位相差の波長依存性が考慮され
ていないため、コントラスト比が低かった。
【0009】液晶素子と複屈折性フィルムの位相差の波
長依存性を概略等しくすることにより、コントラスト比
及び視角特性が改善された。
【0010】より一層の視角特性の向上のためには、複
屈折性フィルムの延伸軸方向の屈折率nx ,延伸軸に垂
直な方向の屈折率ny ,複屈折性フィルムの厚み方向の
屈折率nz の三つがそれぞれ異なる光学的二軸性結晶を
用いればよい。これは、視角による位相差の変化が少な
いためである。
【0011】
【実施例】
〔実施例1〕図1は本発明になる液晶表示素子の素子構
造の斜視図である。
【0012】同図において、透光性ガラス板よりなる上
基板5,下基板8間には、ねじられた構造のツイステッ
ドネマチック液晶が配置されている。また、上基板5,
下基板8の外面には偏光板1,10が配置され、かつ、
上基板5と上側偏光板1の間には複屈折性フィルム3が
配置されている。さらに下側偏光板10の外面には、外
部光源12が配置されて、液晶表示素子が構成されてい
る。
【0013】液晶はビフェニル系液晶とエステルシクロ
ヘキサン系液晶を主成分とするネマチック液晶で、旋光
性物質として(メルク社のS811)を0.5 重量%添
加したものを用い、Δn=0.118,液晶層の厚さd
は6.5μmとし、Δn・d=0.77 μmになるよう
に設定した。
【0014】液晶分子7のねじれ方向とねじれ角αは、
上側電極基板5のラビング方向6と下側電極基板8のラ
ビング方向9、及び添加される旋光性物質によって規定
され、本実施例では240度とした。
【0015】複屈折性フィルム3には、ポリカーボネー
トフィルムを用い、Δn・d=0.56μmとした。またポ
リカーボネートフィルムの延伸軸4と上側ラビング軸6
のなす角は90度である。
【0016】偏光板1,10には偏光率99.9% の日
東電工製G1229DV を用い、下側偏光板10の吸収軸(あ
るいは偏光軸)11と下側ラビング軸9のなす角は45
度とし、上側偏光板1の吸収軸(あるいは偏光軸)2と
ポリカーボネートフィルムの延伸軸4のなす角は75度
とした。
【0017】また、光源12には冷陰極管を用いたが、
熱陰極管やエレクトロルミネッセントあるいは、光源を
用いずに反射板を用いた外光利用型でもよい。
【0018】図7は本実施例における背景及び表示部の
色をCIE色度座標に示した。同図に示すように、背景
色及び表示色ともにC光源に近く、概略白黒表示を実現
している。また、この時のコントラスト比は15対1で
ある。
【0019】液晶素子と複屈折性フィルムの位相差の関
係式はジョーンズマトリクスを用いて、導くことが可能
であり、液晶素子のツイスト角をθ1,光路差を(Δn・
d)1,複屈折性フィルムの光路差を(Δn・d)2,光の
波長をλ,mを任意の整数とした時、 (Δn・d)2={(Δn・d)1 2+λ2(mπ+θ1 2)−2mπλ21 2 +(Δn・d)1 2/λ2)1/21/2 なる関係式で示される。
【0020】λ=450nmから650nmの範囲にお
いて、上式が満たされる時、位相補正が完全に成され、
完全な白または黒表示となる。
【0021】一般に液晶分子の屈折率の波長依存性は、
Δn(λ)=A+B/(λ2−λ0 2)なる関係式で表わさ
れ、本実施例ではA=0.0764,B=4443.8
(μm2),λ0=263.5(nm)とする。図8に液晶分
子のΔn・dの波長依存性と、上式より導いた白黒表示
を実現する複屈折性フィルムのΔn・dの波長依存性を
示す。図8に示す波長依存性に概略近いフィルムを用い
ることにより全波長域で位相補正が成される。ただし、
上式の整数mの値によって位相差は変化する。図17に
液晶素子と複屈折性フィルムの位相差の波長依存性を示
す。m=1の時フィルムと液晶素子の位相差の波長依存
性は概略一致し、より位相補正が完全になりカラー表示
に適した白黒表示が実現され、その時のコントラスト比
は二層液晶方式と同等の30対1が得られる。
【0022】図8においてm=1の波長依存性を持つ、
複屈折性フィルムを得るためには、長波長側で屈折率が
大きくなる、いわゆる異常分散を持つ材料を用いればよ
い。屈折率の異常分散については、例えば、「光学」,
石黒浩三著,(共立全書)、p260にて詳しく述べら
れている。図18において、任意の波長に吸収ピークが
生じた時、屈折率の分散曲線に発散現象が生じ、吸収ピ
ークが近赤外にある時、可視光領域では長波長側で屈折
率が大きくなる。
【0023】例えば図19に示すポリスチレンフィルム
を用いたり、あるいは近赤外に吸収ピークを持つ、ナフ
タロシアニン,フクシン等の色素をフィルムに添加する
ことにより、上記の異常分散を持つことが可能である。
【0024】また、図8に示す波長依存性を得る別の手
段として、波長依存性の異なるフィルムを積層すること
によっても可能である。
【0025】図9は左右方向のコントラスト比の視角特
性を示す。コントラスト比が2対1以上の範囲は、40
度であり、従来の二層液晶方式の場合、30度に比べて
広くなっている。また、図10は上下方向のコントラス
ト比の視角特性を示すが、コントラスト比が1以下にな
る白黒反転現象はおこらず、二層液晶方式に比べて、視
角特性が優れている。
【0026】液晶分子は図11に示す、偏光顕微鏡にお
いてコンデンサレンズをそう入し、直交ニコル下で観察
した。コノスコープ像より光学的一軸性結晶であるのに
対し、ポリカーボネートフィルムは図12に示すコノス
コープ像より光学的二軸性結晶である。図13は偏光板
を直交ニコルとした時、平行配向液晶素子とポリカーボ
ネートフィルム単体をそう入した時の、透過率の視角依
存性を示す。垂直方向の透過率を1とした時、45度方
向では、液晶は0.4 であるのに対し、ポリカーボネー
トフィルムは0.6 である。すなわち光学的二軸結晶
は、視角による位相差の変化が少なく、コントラスト比
等の表示特性の視角特性が優れている。光学的二軸結晶
とカラー化の組合わせは視角特性が良好なため、視角変
化による色調の変化が少なくなる。
【0027】〔実施例2〕図1において、光学的二軸性
結晶3として、Δn・d=0.3μm のポリカーボネー
トフィルムを二枚用い、その延伸軸をずらして積層す
る。そのなす角度は、図14に示すコントラスト比の関
係より、10度とした。上側フィルムの延伸軸と上側偏
光板の吸収軸(あるいは偏光軸)2のなす角度は40度
とし、その他の素子構成は実施例1と同じである。
【0028】図15は本実施例における、背景色及び表
示色をCIE色度座標に示した。
【0029】図7と比較した場合CIE色度座標は、背
景色は(0.35,0.35)から(0.33,0.33)
に、表示色は(0.29,0.36)から(0.33,0.3
4)にいずれもC光源(0.31,0.31)に近づいて
おり、概略白黒表示を実現している。また、この時のコ
ントラスト比は20対1である。
【0030】〔実施例3〕実施例1の素子構成におい
て、図1に示される光学的二軸性結晶3あるいは、電極
基板5,8に、赤,緑,青の顔料型印刷タイプ、あるい
は顔料型電着タイプ,染料型タイプの色フイルタを組合
せることにより、カラー表示が可能となる。カラーフィ
ルタは電極基板と液晶層との間に配置したが、液晶素子
と密着していれば、この配置に限定されるものではな
い。図16に表示色をCIE色度座標に示した。
【0031】また同図の波線で示した領域は、薄膜トラ
ンジスタ(TFT)を用いたカラー液晶テレビの色再現
性の範囲を示したものである。同図より、本実施例の色
再現性の範囲はTFTカラー液晶テレビと同等である。
【0032】
【発明の効果】本発明によれば、全波長域で位相補正が
成されるため、背景及び表示部の色を無彩色にすること
ができるので、白黒及びカラー表示が可能となる効果が
ある。さらに、光学的二軸性結晶を用いることにより、
従来の二層構造液晶素子と比較して、視角特性が改善さ
れるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の液晶素子の斜視図。
【図2】従来技術における液晶素子の斜視図。
【図3】従来技術における液晶素子の偏光状態を示す
図。
【図4】従来技術における液晶素子の左右方向のコント
ラスト比の視角特性を示す図。
【図5】従来技術における液晶素子の上下方向のコント
ラスト比の視角特性を示す図。
【図6】従来技術による透過光の波長依存性を示す図。
【図7】本発明における液晶素子の表示色と背景色とC
IE色度座標に示した図。
【図8】白黒表示を実現するための液晶分子と複屈折フ
ィルムのΔn・dの波長依存性を示す図。
【図9】本発明における液晶素子の左右方向のコントラ
スト比の視角特性を示す図。
【図10】本発明における液晶素子の上下方向のコント
ラスト比の視角特性を示す図。
【図11】液晶分子のコノスコープ像を示す図。
【図12】ポリカーボネートフィルムのコノスコープ像
を示す図。
【図13】平行配向液晶素子及びポリカーボネートフィ
ルムの透過率の視角依存性を示す図。
【図14】本発明の第2の実施例における位相板フィル
ムの延伸軸のなす角とコントラスト比の関係。
【図15】本発明の第2の実施例における表示色と背景
色をCIE色度座標に示した図。
【図16】本発明の第3の実施例における、表示色の範
囲をCIE色度座標に示した図。
【図17】位相差の波長依存性を示した図。
【図18】異常分散の現象を示す図。
【図19】ポリスチレンの吸収スペクトルを示す図。
【符号の説明】
1,19…上側偏光板、2,13…上側偏光板の吸収
軸、3…複屈折性フィルム、4…延伸軸、5,22…駆
動用液晶素子の上側電極基板、6,14,16…上側ラ
ビング軸、7,15,17…液晶分子、8,25…駆動
用液晶素子の下側電極基板、9,16,24…下側ラビ
ング軸、10,26…下側偏光板、11,18…下側偏
光板の偏光軸、12,27…光源。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−23224(JP,A) 特開 昭63−261225(JP,A) 特開 昭63−239421(JP,A) 特開 平2−37321(JP,A) テレビジョン学会技術報告 Vol. 12,No.32,pp.29〜34 テレビジョン学会技術報告 Vol. 12,No.49,pp.61〜66 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02F 1/1335 510

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】上下一対の電極基板と、前記電極基板間に
    挟持され、前記電極基板間の厚さ方向にねじれたらせん
    構造を有するネマチック液晶層とを有する液晶素子と、
    前記液晶表示素子を挟んで設けられた一対の偏光板とを
    有する液晶表示装置であって、前記電極基板と前記偏光
    板との間に配置された1枚あるいは2枚の複屈折フィル
    ムであって、延伸軸方向の屈折率nxと延伸軸に垂直な
    方向の屈折率nyと厚み方向の屈折率nzとがそれぞれ
    異なる光学的二軸性結晶の複屈折性フィルムを配置し、 前記複屈折フィルムの厚さ(d)と異方性屈折率(Δn)と
    の積(Δn・d)2によって生じる位相差の波長依存性と、
    前記ネマチック液晶層の厚さ(d)と異方性屈折率(Δn)
    との積(Δn・d)1と前記らせん構造のねじれ角θによっ
    て生じる位相差の波長依存性とがほぼ等しいことを特徴
    とする液晶表示装置。
  2. 【請求項2】上下一対の電極基板と、前記電極基板間に
    挟持され、前記電極基板間の厚さ方向にツイスト角θ 1
    ねじれたらせん構造を有するネマチック液晶層とを有す
    る液晶素子と、前記液晶表示素子を挟んで設けられた一
    対の偏光板とを有する液晶表示装置であって、前記電極
    基板と前記液晶層との間にカラーフィルタを配置し、前
    記電極基板と前記偏光板との間に配置された1枚あるい
    は2枚の複屈折フィルムであって、延伸軸方向の屈折率
    nxと延伸軸に垂直な方向の屈折率nyと厚み方向の屈
    折率nzとがそれぞれ異なる光学的二軸性結晶の複屈折
    性フィルムを配置し、 前記複屈折フィルムの厚さ(d)と異方性屈折率(Δn)と
    の積を(Δn・d)2、前記ネマチック液晶層の厚さ(d)と異
    方性屈折率(Δn)との積を(Δn・d)1、入射する光の波
    長をλとしたとき、 (Δn・d)2 ={(Δn・d)1 2+λ2(mπθ 1 22 −2mπλ2θ 1 2+(Δn・d) 1 2/λ21/21/2
    (mは任意の整数)の関係式を概略満たすことを特徴と
    する液晶表示装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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テレビジョン学会技術報告 Vol.12,No.32,pp.29〜34
テレビジョン学会技術報告 Vol.12,No.49,pp.61〜66

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