JPH06167691A

JPH06167691A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPH06167691A
Application number: JP31900192A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Ito; 邦彦伊藤; Hiroshi Takanashi; 宏高梨; Yasuhiro Inamasu; 靖浩稲益; Asao Kiguchi; 朝雄木口
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1992-11-27
Filing date: 1992-11-27
Publication date: 1994-06-14
Also published as: TW245779B

Abstract

(57)【要約】【目的】視角特性がよく、表示色の安定したスーパー
ツイステッドネマティック型カラー液晶表示装置を得
る。【構成】液晶表示装置１４の偏光板８，１１と、液晶
表示素子１５との間に１軸延伸高分子フィルムから成る
３次元屈折率コントロール位相差板９，１０を設置す
る。位相差板９，１０の係数Ｋを−０．７５≦Ｋ≦０の
範囲に選び、液晶表示素子１５によって生ずる仰角およ
び方位角方向のリタデーション変化を適正に補償するこ
とによって液晶表示装置１４の視角特性を改善し、安定
したカラー表示を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＳＴＮ（スーパーツイ
ステッドネマティック）型の液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＳＴＮ型液晶表示装置は、イエ
ローグリーンあるいは、ブルーに着色するが、光学補償
板を用いることによって、色補正を行い、明るく鮮明な
白黒表示が得られる。そのため、カラー表示が可能にな
り、表示品位が向上し、ワードプロセッサ、コンピュー
タなどのオフィスオートメーション（ＯＡ）機器の表示
手段として利用することができる。

【０００３】色補償を施したＳＴＮ型液晶表示装置とし
ては、２層型のＳＴＮ型液晶表示装置があり、１層目
（駆動用パネル）で生じた着色を２層目（光学補償用パ
ネル）で色補正をし、無彩色化している。この構造は、
単層ＳＴＮ型液晶表示装置と比較して、液晶パネルが２
枚必要であるため、表示装置の厚みが厚くなり、重量が
増加するという問題点を持っている。この問題点を解決
するために、光学補償板として１軸延伸高分子フィルム
から成る係数Ｋ＝１の正の位相差板を用いることによっ
て、薄型で軽量なＳＴＮ型液晶表示装置が開発されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが一般に位相差
板は、高分子フィルムを延伸して作られるため、フィル
ムの遅相軸方向と進相軸方向とでは、光学的性質が異な
り、２層型のＳＴＮ型液晶表示装置に比べ、位相差板方
式のＳＴＮ型液晶表示装置は、方位角あるいは仰角によ
る色変化が大きい、つまり、視角が狭いという問題点を
持っている。

【０００５】１軸延伸高分子フィルムが位相差板として
用いられるのは、光学異方性を持つからである。すなわ
ち、高分子フィルムの遅相軸方向と進相軸方向とでは、
屈折率が異なる。これを、複屈折という。この屈折率異
方性Δｎと、フィルムの厚みｄとの積で与えられるリタ
デーション（Δｎ・ｄ）は、フィルムを通過するときに
生じる光の位相差を与える物理量であるが、この値の仰
角による変化は遅相軸方向と進相軸方向とでは異なって
いる。たとえば、ポリビニルアルコールから成る位相差
板では、仰角が大きくなるに従い、遅相軸方向のリタデ
ーションは減少し、進相軸方向では増加する性質があ
る。この結果、液晶表示パネルと組合せたとき、法線方
向では光学補償関係が完全であっても仰角が大きくなる
につれて位相差板のリタデーションと、液晶表示パネル
のリタデーションとの差が大きくなり、光学補償関係が
崩れる。つまり色変化が生じ、表示のコントラストが低
下するため、視角が狭くなるという問題点がある。

【０００６】本発明の目的は、視角特性を改善し、表示
品位の高い液晶表示装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、一対の透明基
板間に分子の長軸方向が螺旋状に約２４０°ねじれるよ
うに配向させたスーパーツイステッドネマティック液晶
層を介在した液晶表示素子を、一対の偏光板間に配置し
て構成される液晶表示装置において、前記一対の偏光板
と、前記液晶表示素子との間にそれぞれ１軸延伸高分子
フィルムから成る位相差板を配置し、前記各位相差板
は、１軸延伸高分子フィルムの仰角によるリタデーショ
ン変化の割合を３次元屈折率を用いて係数Ｋで表すと、
前記係数Ｋが−０．７５≦Ｋ≦０の範囲の値をとるよう
に選ぶことを特徴とする液晶表示装置である。

【０００８】

【作用】本発明に従えば、一対の透明基板間に分子の長
軸方向が螺旋状に約２４０°ねじれるように配向させた
スーパーツイステッドネマティック液晶層を介在した液
晶表示素子を、一対の偏光板間に配置して構成される液
晶表示装置において、前記一対の偏光板と、前記液晶表
示素子との間にそれぞれ１軸延伸高分子フィルムから成
る位相差板を配置し、前記各位相差板は、１軸延伸高分
子フィルムの仰角によるリタデーション変化の割合を３
次元屈折率を用いて係数Ｋで表すと、前記係数Ｋが−
０．７５≦Ｋ≦０の範囲の値をとるように選ぶ。

【０００９】位相差板を用いたＳＴＮ型液晶表示装置に
おける視角を拡大するには、仰角が大きくなっても液晶
表示パネルと配置する位相差板とのリタデーションが一
致していれば、光学補償関係が崩れず広視角が得られる
ことになる。つまり、液晶パネルの仰角リタデーション
変化に、配置する位相差板のリタデーション変化を一致
させなければならない。従来の技術では、Ｋ＝１の正の
位相差板とは仰角によるリタデーション変化が異なる位
相差板は、Ｋ＝１と、Ｋ＝−１との２枚の異なるリタデ
ーションの位相差板を位相差板の遅相軸を揃え配置しな
ければならない。Ｋ＝−１の位相差板とは、Ｋ＝１とは
仰角によるリタデーション変化が逆の性質を持つ位相差
板、つまり負の光学異方性を持つ位相差板で、たとえば
ポリスチレンなどから成る。これを１枚のフィルムで達
成した３次元屈折率コントロール位相差板を使用し、最
適の３次元屈折率の関係係数Ｋを求め配置することで、
フィルム枚数の少ない薄型、軽量、かつ鮮明な表示の広
視角カラー液晶表示装置が得られる。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の液晶表示装置１
４の全体の構成を示す分解断面図である。ガラス基板１
上には、カラーフィルタ１２が全面にわたって形成され
る。その上には透明コモン電極２が形成され、さらにそ
の上に有機配向膜３が形成される。ガラス基板７上には
透明セグメント電極６が形成され、さらにその上から有
機配向膜５が形成される。このようなガラス基板１と、
ガラス基板７との間に液晶層４がシール剤１３によって
封止され、液晶表示素子１５が形成される。有機配向膜
３，５には、それぞれラビング配向処理が施されてお
り、液晶層４は液晶分子の長軸方向が２４０°ねじれる
ように設置される。前述のように形成された液晶表示素
子１５のガラス基板１，７の外側表面には位相差板９，
１０が設置され、さらにその外側には偏光板８，１１が
設置される。

【００１１】液晶層４は、正の誘電異方性を有するネマ
ティック液晶、たとえばフェニルシクロヘキサン（ＰＣ
Ｈ）系液晶に、捩れ方向を規制するためのカイラルドー
パントとしてコレステリックノナネイト（ＣＮ）を２．
１０％添加した混合液晶を用いる。混合液晶の屈折率異
方性Δｎは、０．１４２である。また、ガラス基板１，
７間の間隔を一定に保つために、これらの基板間には図
示しないプラスチック製のスペーサが挟み込まれてい
る。このスペーサによって、液晶層４の厚みは６．０μ
ｍに設定される。

【００１２】偏光板８，１１は、単体透過率４２％、偏
光度９９．９％のニュートラルグレイタイプの偏光板を
用い、位相差板９，１０は、ポリカーボネイトから成る
位相差板で、リタデーション値はともに４２８ｎｍであ
る。３次元屈折率コントロール位相差板には、日東電工
社製ＮＺ板（商品名ＮＲＺ、特性値−０．３０≦Ｋ≦−
０．１０）を使用した。カラーフィルタ１２は、たとえ
ば微細な帯状に形成された３色のカラーフィルタ、たと
えば赤色フィルタＲ、緑色フィルタＧおよび青色フィル
タＢと、前記各フィルタ間の間隙に設けられる黒色の遮
光層ＢＬとで構成され、染色法、印刷法、電着法、顔料
分散法などの方法によって形成される。また、カラーフ
ィルタ１２は、セグメント電極６上に形成されてもよ
い。

【００１３】図２は図１に示すカラーフィルタ１２の平
面図であり、図３はカラーフィルタ１２の断面図であ
り、図４はカラーフィルタ１２付近の拡大平面図であ
る。図２〜図４において、赤色フィルタＲ、緑色フィル
タＧ、および青色フィルタＢは、たとえば、それぞれ帯
状に形成され、赤色フィルタＲ、緑色フィルタＧ、青色
フィルタＢの順に互いに平行に配置される。カラーフィ
ルタ１２は、図４に示すように、各色フィルタとも、た
とえば幅Ｌ１＝７０μｍに形成され、フィルタ間隔Ｌ２
＝２５μｍで設置される。フィルタ間隔Ｌ２は、フォト
プロセスなどのカラーフィルタの製作精度によって決ま
り、一般には、１５μｍ〜４０μｍである。フィルタの
配列は、たとえば、図４の矢符Ｅで示すフィルタの幅方
向に赤色フィルタＲ、緑色フィルタＧ、青色フィルタＢ
の配列が繰返される。また、各フィルタＲ，Ｇ，Ｂの間
には、遮光層ＢＬが形成される。遮光層ＢＬには、たと
えばフォトポリマーにカーボンブラックを分散した感光
性の顔料分散法などが用いられる。

【００１４】図５は、図１に示す実施例の各部材の設置
条件を示す図である。図５において、液晶表示装置１４
を水平に設置した場合の視角の方向を６時−１２時方向
とする。矢符Ｐ３，Ｐ５は、各々配向膜３，５のラビン
グ軸方向である液晶分子配向軸の方向で、反時計方向に
互いに２４０°捩れている。また、配向膜３のラビング
軸方向Ｐ３は、１２時方向から時計まわりに１２０°、
配向膜５のラビング軸Ｐ５は１２時方向から反時計まわ
りに１２０°の角度をなすように設置される。偏光板８
は、吸収軸方向Ｐ８が１２時方向から時計まわりに８０
°の角度をなすように設置され、位相差板９は遅相軸方
向Ｐ９が１２時方向から時計まわりに２０°の角度をな
すように設置される。位相差板１０は、遅相軸方向Ｐ１
０が１２時方向から時計まわりに１０°の角度をなすよ
うに設置される。また、偏光板１１は、吸収軸方向Ｐ１
１が１２時方向から反時計まわりに２０°の角度をなす
ように設置される。

【００１５】１軸延伸高分子フィルムが位相差板として
使用されるのは、その光学異方性のためである。すなわ
ち、遅相軸方向の屈折率と進相軸方向の屈折率とが異な
る性質を利用している。液晶表示パネルを通過した光
（常光線と異常光線）の相対位相差は、位相差板を透過
するときにその屈折率異方性Δｎと膜厚ｄとの積、つま
りリタデーションによって打消されるか、または全波長
が同位相に揃えられる。しかし、これは液晶表示装置を
表示面の法線方向から見た場合であり、斜め方向から見
た場合、すなわち、視角方向が法線方向および方位角方
向に角度をもって見た場合、位相差板の３次元屈折率を
考慮にいれなければならない。今、位相差板の３次元方
向の屈折率をｎ_x（遅相軸方向）、ｎ_y（進相軸方向）、
ｎ_z（厚み方向）とし、この３次元方向の屈折率の関係
を係数Ｋとして、次の式（１）〜式（４）のように表
す。

【００１６】正の光学異方性を持つ位相差板の場合、（ｎ_x＋ｎ_y）／２＞ｎ_z （１）であり、Ｋ＝１−（ｎ_z−ｎ_y）／（ｎ_x−ｎ_z）（２）と表す（ただし、ｎ_x≠ｎ_z）。

【００１７】負の光学異方性を持つ位相差板の場合、（ｎ_x＋ｎ_y）／２＜ｎ_z （３）であり、Ｋ＝（ｎ_x−ｎ_z）／（ｎ_z−ｎ_y）−１（４）と表す（ただし、ｎ_z≠ｎ_y）。

【００１８】また、特に、（ｎ_x＋ｎ_y）／２＝ｎ_z （５）のとき、Ｋ＝０（６）となる。

【００１９】遅相軸方向と、進相軸方向とから見たとき
の屈折率とリタデーションとは、位相差板の法線方向か
らの仰角をφとすると、次の式（７）〜式（10）で与え
られる。

【００２０】（１）遅相軸方向から見たとき屈折率異方性Δｎ_x ＝｛ｎ_x ²ｎ_z ²／(ｎ_x ²sin²φ＋ｎ_z ²cos²φ)｝^1/2−ｎ_y （７）位相差Ｒ_x ＝Δｎ_x・ｄ／cosφ （８）（２）進相軸方向から見たとき屈折率異方性Δｎ_y ＝ｎ_x−｛ｎ_y ²ｎ_z ²／(ｎ_y ²sin²φ＋ｎ_z ²cos²φ)｝^1/2 （９）位相差Ｒ_y＝Δｎ_y・ｄ／cosφ （10）図６は、係数Ｋの異なる位相差板の仰角によるリタデー
ション変化を示すグラフである。図６は、Ｋ＝１の正の
位相差板、Ｋ＝−１の負の位相差板およびＫ＝０となる
位相差板の３次元方向の屈折率をそれぞれ測定し、各測
定値を上式に代入して得られる。それぞれ図６（ａ）に
Ｋ＝１、（ｂ）にＫ＝−１および（ｃ）にＫ＝０の位相
差板の仰角によるリタデーション変化を示す。これらの
結果から、正の位相差板と負の位相差板とでは仰角によ
るリタデーション変化が異なり、正の位相差板の場合、
遅相軸方向では仰角が大きくなるにつれてリタデーショ
ンは減少し、進相軸方向では仰角が大きくなるにつれて
リタデーションが増加する。また、負の位相差板の場
合、遅相軸方向では仰角が大きくなるにつれてリタデー
ションが増加し、進相軸方向では仰角が大きくなるにつ
れてリタデーションが減少する。このように、正の位相
差板と負の位相差板とでは、仰角によるリタデーション
変化が逆の傾向を持つことが判る。また、図６（ｃ）に
示すように、Ｋ＝０の位相差板の場合、遅相軸方向、進
相軸方向ともに仰角の変化によらずリタデーションは一
定の値を示す。

【００２１】図７は、位相差板の材料として代表的なポ
リカーボネイトから成るＫ＝１の正の位相差板につい
て、実際に仰角によるリタデーション変化の測定結果を
示したグラフである。仰角によるリタデーション変化の
測定は、セナルモンの方法を用いて行った。すなわち、
位相差板の進相軸および遅相軸を含む平面上において進
相軸に対して方位角４５°で位相差板に直線偏光を入射
する。さらに、位相差板通過後の光を、その進相軸方向
が位相差板の進相軸方向に一致するように配置された１
／４波長板を通し、検光子を介して観察する。位相差板
のリタデーションをΔとし、偏光子の方位を調整して方
位角θで消光が得られたとすると、位相差板のリタデー
ションΔは、以下の式（11）から求められる。

【００２２】 Δ＝π／２＋θ （11）図７に示すように、実際に測定された位相差板の仰角に
よるリタデーション変化は、図６に示す前述の理論式に
基づいて導かれた傾向と一致する。すなわち、Ｋ＝１の
正の位相差板において、遅相軸方向では仰角が大きくな
るにつれてリタデーションが減少し、進相軸方向では仰
角が大きくなるにつれてリタデーションが増加する。

【００２３】図８は、図７に示す正の位相差板の仰角に
よるリタデーション変化を、各仰角について方位角方向
の変化を示したグラフである。図８に示すように、方位
角方向のリタデーション変化は、仰角が１５°のときに
は、法線方向からの仰角の変位そのものが小さいため進
相軸方向、遅相軸方向ともにリタデーション変化が小さ
く、グラフはほぼ真円の形で表される。仰角が３０°に
なると、進相軸方向のリタデーション変化が大きくな
り、一方、遅相軸方向のリタデーション変化は減少する
ので、グラフは進相軸方向を長軸とする楕円形となる。
仰角が４５°になると、進相軸方向のリタデーション変
化はさらに大きくなり、遅相軸方向のリタデーション変
化はさらに小さくなるので、グラフは進相軸方向を長軸
とする楕円形が遅相軸方向でくびれを持つようになる。
仰角が６０°になると、仰角が４５°のときの傾向がさ
らに顕著になり、グラフは遅相軸方向のくびれがさらに
大きくなる。

【００２４】図９は、図１に示す液晶表示素子１５の方
位角方向のリタデーション変化を各仰角について示すグ
ラフである。液晶表示素子１５については、視角の方向
を１２時方向として測定を行った。図９に示すように、
液晶表示素子１５の方位角方向のリタデーション変化は
仰角が１５°，３０°では全方位にわたって小さく、グ
ラフはほぼ真円に近く表される。仰角が４５°になる
と、液晶表示素子１５のリタデーション変化は、６時方
向に大きくなり、グラフは３時−９時方向を境として１
２時方向はほぼ半円形で、６時方向には１２時−６時方
向を長軸とする半楕円形となる。仰角が６０°になる
と、液晶表示素子１５のリタデーション変化は、１２時
方向−６時方向ともに大きくなり、グラフは３時−９時
方向を境に１２時−６時方向を長軸とする２つの楕円形
を組合せたような形になる。

【００２５】以上のように、液晶表示素子１５の方位角
方向のリタデーション変化は、視角方向である１２時方
向および６時方向に変化し、３時−９時方向にはほとん
ど変化しない。また、１２時方向のリタデーション変化
よりも、６時方向のリタデーション変化の方が変化の度
合いが大きくなることが判る。このようなリタデーショ
ン変化は、液晶表示素子１５の液晶層４において液晶分
子が捩れ構造を持つことによる。

【００２６】図７および図８に示すような位相差板と、
図９に示すような液晶表示素子１５とを組合せた液晶表
示装置では、位相差板と液晶表示素子１５とのリタデー
ション変化の傾向が異なるので、光学補償関係は崩れ、
光漏れや色変化が生じる。これによって、表示のコント
ラストが低下し、視角が狭くなる。したがって、視角を
拡大するためには、位相差板の仰角によるリタデーショ
ン変化を小さくする必要がある。

【００２７】図１０は、係数Ｋ＝−０．５７の３次元屈
折率コントロール位相差板の仰角によるリタデーション
変化の測定結果を示したグラフである。係数Ｋ＝−０．
５７の３次元屈折率コントロール位相差板では、遅相軸
方向と進相軸方向とのリタデーション変化はＫ＝１の位
相差板とは逆の変化を示し、進相軸方向では仰角が大き
くなるにしたがってリタデーションは減少し、遅相軸方
向では仰角が大きくなるにしたがってリタデーションは
増加する。また、その変化の度合いも異なることが判
る。したがって、図１０に示すような負の３次元屈折率
コントロール位相差板を、液晶表示素子１５の仰角によ
るリタデーション変化を打消すように係数Ｋを選んで設
置すれば、色調変化の少ない広視野角のカラー液晶表示
装置が得られる。

【００２８】表１に、１軸延伸高分子フィルムから成る
３次元屈折率コントロール位相差板の係数Ｋについて、
これを用いる液晶表示装置１４の視角特性を示す。液晶
表示装置１４の視角特性は、図１に示す位相差板９，１
０として、異なる係数Ｋを持つ位相差板を用いて測定
し、併せて従来の係数Ｋ＝１の位相差板についても測定
を行った。視角特性については、１２時−６時方向およ
び９時−３時方向において液晶表示装置１４上の測定点
のコントラストが、コントラスト≧４となるような視角
の範囲を角度で示す。また、液晶表示装置１４の色調特
性は、１２時−６時方向および９時−３時方向について
従来の液晶表示装置より優れているものは○、従来の液
晶表示装置と同程度であるものは△で示す。前記色調特
性は、目視にて従来の技術と比較評価したものである。

【００２９】

【表１】

【００３０】表１に示すように、係数Ｋが−０．７５≦
Ｋ≦０の範囲にあるような位相差板９，１０を備える液
晶表示装置１４では、９時−３時方向の視角特性が改善
されており、従来の係数Ｋ＝１の位相差板を備える液晶
表示装置と比較して、約７０％以上の広視野角が得られ
る。また、色調変化についても、従来の係数Ｋ＝１の位
相差板を備える液晶表示装置と比較して、変化の度合い
が小さいことから、液晶表示装置１４において色調の安
定した広視野角のカラー表示が得られていることが判
る。

【００３１】以上のように、本実施例によれば、３次元
屈折率コントロール位相差板を組合せ、位相差板９，１
０と液晶表示素子１５の仰角によるリタデーション変化
を適合させることによって、従来の位相差板を備えるカ
ラー液晶表示装置が持っていた仰角による色調変化、コ
ントラストの低下、カラー表示の反転を抑え、広視野角
のカラー表示を得ることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、一対の偏
光板と、液晶表示素子との間にそれぞれ１軸延伸高分子
フィルムから成る位相差板を配置し、前記各位相差板
は、１軸延伸高分子フィルムの仰角によるリタデーショ
ン変化の割合を３次元屈折率を用いて係数Ｋで表すと、
係数Ｋが−０．７５≦Ｋ≦０の範囲の値をとるように選
ぶ。これによって、液晶表示素子の２４０°捩れて配向
するスーパーツイステッドネマティック液晶層によって
生ずる仰角変化および方位角変化に伴うリタデーション
変化をより適正に補償することができる。したがって、
広い視野角の範囲で高コントラスト表示が得られ、視角
による表示色変化が小さい、安定したカラー表示を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による液晶表示装置１４の全
体の構成を示す分解断面図である。

【図２】図１に示す実施例のカラーフィルタ１２の平面
図である。

【図３】図１に示す実施例のカラーフィルタ１２の断面
図である。

【図４】図１に示す実施例のカラーフィルタ１２の拡大
平面図である。

【図５】図１に示す実施例の各部材の設置条件を示す図
である。

【図６】係数Ｋの異なる位相差板の仰角によるリタデー
ション変化を示すグラフである。

【図７】係数Ｋ＝１の正の位相差板について、仰角によ
るリタデーション変化の測定結果を示したグラフであ
る。

【図８】係数Ｋ＝１の正の位相差板について、各仰角に
ついて方位角方向の変化の測定結果を示したグラフであ
る。

【図９】図１に示す液晶表示素子１５の各仰角につい
て、方位角方向のリタデーション変化の測定結果を示し
たグラフである。

【図１０】係数Ｋ＝−０．５７の３次元屈折率コントロ
ール位相差板の仰角によるリタデーション変化を測定し
た結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１，７ガラス基板２コモン電極３，５配向膜４液晶層６セグメント電極８，１１偏光板９，１０位相差板１２カラーフィルタ１３シール材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木口朝雄大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の透明基板間に分子の長軸方向が螺
旋状に約２４０°ねじれるように配向させたスーパーツ
イステッドネマティック液晶層を介在した液晶表示素子
を、一対の偏光板間に配置して構成される液晶表示装置
において、前記一対の偏光板と、前記液晶表示素子との間にそれぞ
れ１軸延伸高分子フィルムから成る位相差板を配置し、前記各位相差板は、１軸延伸高分子フィルムの仰角によ
るリタデーション変化の割合を３次元屈折率を用いて係
数Ｋで表すと、前記係数Ｋが−０．７５≦Ｋ≦０の範囲
の値をとるように選ぶことを特徴とする液晶表示装置。