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JP2005062724A - 光学位相差板および液晶表示装置 - Google Patents

光学位相差板および液晶表示装置 Download PDF

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Yuzo Hisatake
雄三 久武
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Toshiba Matsushita Display Technology Co Ltd
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Abstract

【課題】液晶分子を垂直配列状態とハイブリッド配列状態との間で遷移させる電界により液晶層の位相差および旋光性を制御する液晶表示モードで視角−コントラスト特性を損なわずに中間階調での視角−輝度特性を向上させる。
【解決手段】液晶表示装置は、液晶層ＬＱが一対の電極基板ＡＲ，ＣＴ間に挟持される構造の液晶パネルと、液晶パネルを挟持する一対の偏光板ＰＬと、液晶パネルと一対の偏光板ＰＬ間に配置される一対の光学位相差板ＲＴとを備える。各光学位相差板ＲＴは互いに直交するｘ軸方向およびｙ軸方向、ｚ軸方向の平均屈折率ｎｘ，ｎｙ，ｎｚがｚ軸方向を法線方向に一致させた状態でｎｘ＞ｎｙ＞ｎｚの関係にある屈折率異方性を有する。各光学位相差板ＲＴのｘ軸方向とこの光学位相差板ＲＴに隣接する偏光板ＰＬの透過軸とは略平行である。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶分子が黒表示のために例えば略垂直に配向される液晶パネルに適用される光学位相差板およびこの光学位相差板を用いる液晶表示装置に関する。
液晶表示装置は軽量、薄型、低消費電力という特徴を有し、この特徴からＯＡ機器、情報端末、時計、テレビのような様々な分野で応用されている。特にアクティブマトリクス型液晶表示装置は、薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor）を用いて画素のスイッチングを行うことにより優れた応答性を得ることができる液晶表示装置であるため、多くの画像情報を表示しなくてはならない携帯テレビあるいはコンピュータの表示モニタとして利用されている。
近年では、液晶表示装置の精細度および表示速度の向上が情報量の増大に伴って要求され始めている。高精細化は、例えば薄膜トランジスタのアレイ構造を微細化して画素数を増大することにより実現されている。
一方、表示速度の高速化に関しては、従来の表示モードに代わって、例えばネマティック液晶を用いたＯＣＢ(Optically Compensated Birefringence)モード、ＶＡＮ(Vertically Aligned Nematic)モード、ＨＡＮ(Hybrid Aligned Nematic)モード、およびπ配列モード、並びにスメクチック液晶を用いた界面安定型強誘電性液晶(SSFLC: Surface-Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal)モードおよび反強誘電性液晶(AFLC: Anti-Ferroelectric Liquid Crystal)モードが検討されている。
これら表示モードのうち、特にＶＡＮモードは従来のツイストネマチック(Twisted Nematic)モードよりも速い応答速度を得ることができ、さらに静電気破壊のような不良発生の原因となるラビング処理を垂直配向により不要にできるという特長を有する。なかでも、マルチドメイン型ＶＡＮモード（以下、ＭＶＡモードという）は視野角の拡大が比較的容易なことから特に注目されている。
マルチドメイン構造を得る方式としては、アレイ基板上の画素電極および対向基板上の対向電極に配向分割用の電極スリットや突起を設け、これらによって画素電極および対向電極から画素領域に印加される電界の傾きを制御することが一般的に行われている（例えば特許文献１参照）。この場合、液晶層の画素領域は液晶分子の配向方向が電圧印加状態で互いに９０°の角度をなすような例えば４つのドメインに配向分割され、これにより視角特性の対称性改善と反転現象の抑止を実現している。また、負の光学位相差板が、電極基板に対して垂直に液晶分子を配列させる黒表示状態で液晶層に生じる位相差の視角依存性を補償するために用いられ、これにより視角に対するコントラスト(ＣＲ)を良好なものとしている。この負の光学位相差板が偏光板の視角依存性も補償するような面内位相差を持つ２軸位相差板であれば、さらに優れた視角−コントラスト特性を実現することができる。
特許第２５６５６３９号公報
しかしながら、上述したＭＶＡモードでは、視角補償が黒表示（最小）階調以外で不十分であり、輝度（透過率）特性がパネル正面の方位と斜めの方位との間で異なる。液晶表示装置が画素領域を４つのドメインに配向分割するＭＶＡモードである場合、例えば図２４〜図２６に示すようなパネル正面の方位を０°とした視角−輝度特性が様々な階調に対応する液晶印加電圧の下で得られる。図２４はパネル正面の方位に対して左右方位において得られる視角−輝度特性を示し、図２５はパネル正面の方位に対して斜め方位において得られる視角−輝度特性を示し、図２６はパネル正面の方位に対して上下方位において得られる視角−輝度特性を示す。ここでは、０Ｖから４．７Ｖの範囲の電圧が液晶層ＬＱに印加された。図２４〜図２６では、横軸がパネル正面の方位を０°とした視角を示し、縦軸がパネルの輝度を透過率で示す。これらの視角輝度特性によれば、中間階調での輝度差がパネル正面に対して斜めの方位となる視角において縮小し、さらに白表示（最大）階調での輝度も視角依存性によって低下することから、多色表示であるときに全体的に白茶けて見えるという問題を有することがわかる。
また、上述したＭＶＡモードにおいて４つのドメインを得るために設置される突起や電極スリット、並びにこれらドメイン間の配向境界に発生するシュリーレン配向の影響により、液晶表示装置の輝度が配向分割を行わない場合よりも著しく劣化するという問題も生じている。この問題を改善するために配向分割数を少なくすることも考えられるが、次のような理由から難しい。すなわち、画素領域の配向分割数が４である場合、液晶表示装置は図３０に示すような視角−コントラスト特性を有する。この視角−コントラスト特性はコントラスト（ＣＲ）が全方位において１０以上である点で優れている。
また、画素領域の配向分割数が２である場合、液晶表示装置は図２７〜図２９に示すような視角−コントラスト特性を有する。この視角−コントラスト特性は、配向分割数が４である液晶表示装置のそれと同等である。しかしながら、この液晶表示装置は図２７〜図２９に示すような視角−輝度特性を有する。これらの図によれば、輝度反転が中間階調において生じることがわかる。中間階調における位相差の異方性は液晶分子の配向方向が２つのドメイン間で反平行となる上下方位で補償しあうが、左右方位で一様に作用する。すなわち、輝度反転は印加電圧に対する位相差の変化度がパネル正面と視角方位との間で変わるために生じる。従って、配向分割数が２の場合、液晶表示装置の輝度は改善されるが、視角−輝度特性は中間階調で劣ってしまうという問題が生じる。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、液晶層の液晶分子を黒表示用の垂直配列状態と白表示用の水平配列状態またはハイブリッド配列状態との間で遷移させる電界により液晶層の位相差および旋光性を制御する液晶表示モードにおいて視角−コントラスト特性を損なうことなく中間階調での視角−輝度特性を向上させることが可能な光学位相差板および液晶表示装置を提供することにある。
本発明によれば、円盤状の高分子からなり厚さ方向に直角な平面に対して徐々に傾斜して厚さ方向にハイブリッド配列される一群の屈折率楕円体をそれぞれ含む少なくとも一対の第１および第２光学フィルムを備え、屈折率楕円体の傾斜方位は第１光学フィルムおよび第２光学フィルム間で互いに反平行な関係にある光学位相差板が提供される。
さらに本発明によれば、液晶層が一対の電極基板間に挟持される構造の液晶パネルと、液晶パネルを挟持する一対の偏光板と、液晶パネルと一対の偏光板間に配置される一対の光学位相差板とを備え、各光学位相差板は互いに直交するｘ軸方向およびｙ軸方向、ｚ軸方向の平均屈折率ｎｘ，ｎｙ，ｎｚがｚ軸方向を法線方向に一致させた状態でｎｘ＞ｎｙ＞ｎｚの関係にある屈折率異方性を有し、各光学位相差板のｘ軸方向とこの光学位相差板に隣接する偏光板の透過軸とは略平行である液晶表示装置が提供される。
これら光学位相差板および液晶表示装置では、光学位相差板が配列遷移中において全ての液晶分子の配列状態に対して液晶層の位相差の視角依存性および偏光板の視角依存性を補償することができる。従って、視角−コントラスト特性を損なうことなく中間階調での視角−輝度特性を向上させることが可能である。特に、液晶層がＭＶＡモードのように配向分割される場合において、配向分割数が２分割であっても、視角−コントラスト特性を損なうことなく中間階調での視角−輝度特性を向上させることが可能である。
本発明によれば、液晶層の液晶分子を黒表示用の垂直配列状態と白表示用の水平配列状態またはハイブリッド配列状態との間で遷移させる電界により液晶層の位相差および旋光性を制御する液晶表示モードにおいて視角−コントラスト特性を損なうことなく中間階調での視角−輝度特性を向上させることが可能な光学位相差板および液晶表示装置を提供することができる。
以下、本発明の第１実施形態に係る液晶表示装置について添付図面を参照して説明する。この液晶表示装置はＭＶＡモードで表示を行う透過型液晶表示装置である。
図１はこの液晶表示装置ＴＭＤの外観を示し、図２は図１に示す液晶表示装置ＴＭＤの回路構造を概略的に示し、図３は図１に示す液晶表示装置ＴＭＤの断面構造を示す。
図１に示すように、液晶表示装置ＴＭＤは第１電極基板となるアレイ基板ＡＲと、第１電極基板に対向する第２電極基板となる対向基板ＣＴと、負の誘電率異方性を有するネマティック液晶材料を含みアレイ基板ＡＲおよび対向基板ＣＴ間に挟持される液晶層ＬＱと、アレイ基板ＡＲ，対向基板ＣＴ，および液晶層ＬＱからなる液晶パネルＤＰを挟持する第１および第２偏光板ＰＬと、液晶パネルＤＰおよび第１偏光板ＰＬ間および液晶パネルＤＰおよび第２偏光板ＰＬ間にそれぞれ配置される第１および第２光学位相差板ＲＴとを備える。アレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとは液晶層ＬＱを取り囲むように配置される外縁シール部材１１により貼り合わされる。液晶表示装置ＴＭＤでは、画像を表示するための表示領域ＤＡが外縁シール部材１１の内側に配置され、駆動回路を配置するための周辺領域ＥＡがこの表示領域ＤＡの周囲に配置される。液晶材料はアレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとの貼合わせ後に液晶注入口１２から注入され、この注入後に封止部材１３により封止される。
アレイ基板ＡＲは、表示領域ＤＡにおいて、図２に示すように、マトリクス状に配置されたｍ×ｎ個の画素電極ＰＥ、これら画素電極ＰＥの行に沿って配置されたｍ本の走査線Ｙ（Ｙ１〜Ｙｍ）、これら画素電極ＰＥの列方向に沿って配置されたｎ本の信号線Ｘ（Ｘ１〜Ｘｎ）、ｍ×ｎ個の画素電極ＰＥに対応して走査線Ｙ１〜Ｙｍおよび信号線Ｘ１〜Ｘｎの交差位置近傍に配置されたｍ×ｎ個の画素スイッチ１５を有し、さらに画素電極ＰＥの行に沿って配置されるｍ本の補助容量線１６を有する。走査線Ｙ１〜Ｙｍは信号線Ｘ１〜Ｘｎと略直交し、補助容量線１６と略平行に配置される。各補助容量線１６は対向電極駆動回路等から対向電位ＶＣＯＭとして得られる所定電位に設定され、対応行の画素電極ＰＥと容量結合してそれぞれ補助容量Ｃｓを構成する。
また、アレイ基板ＡＲは、周辺領域ＥＡにおいて、走査線Ｙ１〜Ｙｍを駆動する走査線駆動回路ＹＤ、信号線Ｘ１〜Ｘｎを駆動する信号線駆動回路ＸＤを有する。各画素スイッチ１５は例えばポリシリコン薄膜トランジスタからなり、対応走査線Ｙおよび対応信号線Ｘに接続され、この走査線Ｙからの駆動電圧により導通し、信号線Ｘからの信号電圧を対応画素電極ＰＥに印加する。尚、各画素スイッチ１５は、ポリシリコン薄膜トランジスタ以外に、アモルファスシリコン薄膜トランジスタで構成することもできる。
画素電極ＰＥは金属等の遮光性導電部材からなる信号線Ｘおよび走査線Ｙによって区画され、電気的に絶縁された状態でこれら信号線Ｘおよび走査線Ｙに僅かに重なる。画素電極ＰＥはガラス基板などの光透過性絶縁基板ＧＬ上に形成されるＩＴＯ等の透明導電部材からなり、その平面的な広がりによって液晶層ＬＱの画素領域に電界を形成する。
図３に示すように、アレイ基板ＡＲでは、それぞれの画素スイッチ１５が光透過性絶縁基板ＧＬ上に形成され、カラーフィルタＣＦにより覆われる。カラーフィルタＣＦは、複数の画素電極ＰＥの列毎に繰り返し並べられ各々複数の画素電極ＰＥの１つに対向する赤カラーフィルタ層Ｒ、緑カラーフィルタ層Ｇ、青カラーフィルタ層Ｂにより構成される。また、複数の柱状スペーサ１７がこれら画素電極ＰＥ相互間においてカラーフィルタＣＦ上に形成される。カラーフィルタＣＦ、画素電極ＰＥ、および柱状スペーサ１７は配向膜１８により全体的に覆われる。配向膜１８は例えばポリイミドなどの透明樹脂からなり、ラビング処理は施さずに垂直配向性を付与されている。配向膜１８は、電圧無印加状態において液晶層ＬＱの液晶材料に含まれる液晶分子２０をアレイ基板ＡＲに対して略垂直な方向に配向させる。
画素スイッチ１５は絶縁基板ＧＬ上のポリシリコン半導体層２１にゲート絶縁膜２２を介して重なるゲート電極１５Ｇ、半導体層２１においてゲート電極１５Ｇの下方に配置されるチャネル領域２１Ｃ、不純物のドープにより半導体層２１においてチャネル領域２１Ｃの両側に配置されるドレイン領域２１Ｄおよびソース領域２１Ｓ、ドレイン領域２１Ｄに接続されるドレイン電極１５Ｄ、並びにソース領域２１Ｓに接続されるソース電極１５Ｓを有する。信号線Ｘ、走査線Ｙ、および補助容量線１６等の配線部、画素スイッチ１５のゲート電極１５Ｇ、ドレイン電極１５Ｄ、およびソース電極１５Ｓは、アルミニウム、モリブデン、銅、タンタルなどの遮光性導電部材を用いて形成される。具体的には、走査線Ｙ、補助容量線１６、およびゲート電極１５Ｇは、ゲート絶縁膜２２を覆う導電層をパターニングすることによりそれぞれ形成される。本実施形態において、ゲート電極１５Ｇは走査線Ｙの一部となっている。
信号線Ｘ、ドレイン電極１５Ｄ、およびソース電極１５Ｓは、走査線Ｙ、補助容量線１６、ゲート電極１５Ｇ、およびゲート絶縁膜２２を覆う層間絶縁膜２３上に形成される導電層をパターニングすることによりそれぞれ形成される。ここで、ドレイン電極１５Ｄはゲート絶縁膜２２および層間絶縁膜２３を貫通するコンタクトホール内でドレイン領域２１Ｄにコンタクトして信号線Ｘと一体的に形成され、ソース電極１５Ｓはゲート絶縁膜２２および層間絶縁膜２３を貫通するコンタクトホール内でソース領域２１Ｓにコンタクトして形成される。ソース領域２１Ｓはゲート絶縁膜２２を介して補助容量線１６と対向する。カラーフィルタＣＦは信号線Ｘ、ドレイン電極１５Ｄ、およびソース電極１５Ｓを覆って形成される。画素電極ＰＥは、カラーフィルタＣＦを貫通するコンタクトホール２４内で画素スイッチ１５のソース電極１５Ｓにコンタクトするように形成される。ソース領域２１Ｓおよび画素電極ＰＥは補助容量線１６と容量結合して補助容量Ｃｓを構成する。
他方、対向基板ＣＴでは、対向電極ＣＥがガラス基板などの光透過性絶縁基板ＧＬ上に形成されるＩＴＯ等の透明導電部材からなり、配向膜１９がこの対向電極ＣＥを覆って形成される。配向膜１９は例えばポリイミドなどの透明樹脂からなり、ラビング処理は施さずに垂直配向性を付与されている。対向電極ＣＥは、アレイ基板ＡＲ側に配置された複数の画素電極ＰＥ全体に対向するように配置される。配向膜１９は、液晶層ＬＱの液晶材料に含まれる液晶分子２０を対向基板ＣＴに対して略垂直な方向に配向する。
第１および第２光学位相差板ＲＴは、液晶層ＬＱとは反対側においてアレイ基板ＡＲおよび対向基板ＣＴにそれぞれ貼り付けられ、第１および第２偏光板ＰＬは第１および第２光学位相差板ＲＴにそれぞれ貼り付けられる。
本実施形態では、カラーフィルタＣＦがアレイ基板ＡＲに配置されたＣＯＡ(Colorfilter On Array substrate)構造を採用したが、カラーフィルタＣＦは対向基板ＣＴに配置されてもよい。但し、ＣＯＡ構造は、アレイ基板ＡＲと対向基板ＣＴとを貼り合わせて液晶パネルＤＰを構成する際にアライメントマーク等を利用して行われる高精度な位置合わせを不要にすることができる。
次に、各光学位相差板ＲＴの構造について図４から図８を参照して説明する。光学位相差板ＲＴは液晶パネルＤＰの液晶層ＬＱで生じる位相差の視角依存性を補償するために少なくとも一対の第１および第２光学フィルムＲＴ１，ＲＴ２を有し、図４に示すように互いに直交するｘ軸，ｙ軸，およびｚ軸のうちのｚ軸に厚さ方向を一致させた状態にある。光学フィルムＲＴ１，ＲＴ２の各々は図５に示すようにｘ軸方向、ｙ軸方向、およびｚ軸方向の平均屈折率ｎｘ，ｎｙ，ｎｚがｎｘ＝ｎｙ＞ｎｚの関係にある円盤状の高分子からなる一群の屈折率楕円体を含む。
図６はｘ軸およびｚ軸を含むｘｚ平面に平行な光学位相差板ＲＴのｙ方位プロファイルを示し、図７はｙ軸およびｚ軸を含むｙｚ平面に平行な光学位相差板のｘ方位プロファイルを示し、図８はｘ軸およびｙ軸を含むｘｙ平面に平行な光学位相差板のｚ方位プロファイルを示す。
第１光学フィルムＲＴ１内の屈折率楕円体ＤＫは厚さ方向に直角なｘｙ平面に対して徐々に傾斜して厚さ方向にハイブリッド配列された状態にあり、第２光学フィルムＲＴ２内の屈折率楕円体ＤＫは第１光学フィルムＲＴ１内の屈折率楕円体ＤＫの傾斜方位に対してそれぞれ反平行となるように徐々に傾斜して厚さ方向にハイブリッド配列された状態にある。ここでは、富士写真フィルム(株)製の広視野フィルム（ＷＶＦ）が第１および第２光学フィルムＲＴ１，ＲＴ２として用いられている。これら広視野フィルムはディスコティック液晶をハイブリッド配列でポリマー化したもので、ディスコティック液晶分子ＤＫの傾斜方位を互いに反平行にするようにして２枚の広視野フィルムを重ね合わせることにより光学位相差板ＲＴを構成することができる。
各広視野フィルムは、ｘ軸方向およびｙ軸方向の平均屈折率ｎｘ，ｎｙがフィルム内の全ディスコティック液晶分子ＤＫの平均傾き角に対応してｎｘ＞ｎｙの関係となる屈折率異方性を有する。さらに平均傾き角をｘｙ平面に対して４５°以下とすればｎｘ＞ｎｙ＞ｎｚの関係が実現される。このような広視野フィルムを上述のように２枚重ねて光学位相差板ＲＴを構成した場合、ディスコティック液晶分子ＤＫの傾き角がｘｙ平面に対して正の値を取るものと負の値を取るものが対となって存在する。この状態は、光学位相差板ＲＴ全体の屈折率楕円体がｘｙ平面に対して傾斜してない状態と等価になる。従って、この光学位相差板ＲＴは２軸延伸して屈折率楕円体の屈折率異方性をｎｘ＞ｎｙ＞ｎｚとした例えば(株)ジェイエスアール製の２軸アートンフィルムと同等の機能を有する。本実施形態の場合、光学フィルムＲＴ１，ＲＴ２が全体としてｘ軸方向に遅相軸を有する光学位相差板ＲＴを構成する。
第１および第２偏光板ＰＬが直交偏光板である場合、図９に示すように第１および第２光学位相差板ＲＴを直交配置すると、４枚の広視野フィルム（ＷＶＦ)を合計した平均屈折率の異方性がｎｘ＝ｎｙ＞ｎｚとなり、一対の第１および第２光学位相差板ＲＴが負の一軸性フィルムとして機能する。液晶パネルＤＰは、液晶層ＬＱの液晶分子２０が黒表示用に略垂直に配列された状態で正の一軸性フィルムとみなせる。従って、負の一軸性フィルムおよび正の一軸性フィルムはそれぞれの屈折率異方性を補償しあい、黒表示状態で液晶層ＬＱに生じる位相差の視角依存性を解消する。さらに図９に示すように、第１および第２光学位相差板ＲＴがこれら光学位相差板ＲＴの上面および下面にそれぞれ配置される第１および第２偏光板ＰＬの吸収軸３０と直交する遅相軸３１を持つことによりこれら偏光板ＰＬの視角依存性も補償することができる。
図９に示す第１および第２偏光板ＰＬは直交偏光板であるが、これらは平行偏光板に置き換えてもよい。第１および第２光学位相差板ＲＴがこのような平行偏光板間に配置される場合にも、上述したような効果を得ることができる。また、液晶分子２０が電圧印加時および電圧無印加時のいずれかで略垂直に配列された状態になれば、この液晶層ＬＱに生じる位相差の視角依存性を解消することができる。
ディスコティック液晶分子ＤＫは２枚の広視野フィルムの一方において液晶層ＬＱの平面に対して正の傾き角となり、他方において液晶層ＬＱの平面に対して負の傾き角となる。このような２枚の広視野フィルムが重ねて光学位相差板ＲＴを構成した場合、光学位相差板ＲＴにおいて正の傾き角のディスコティック液晶分子ＤＫと負の傾き角のディスコティック液晶分子ＤＫとが対となって存在し、傾き角の値は光学位相差板ＲＴの厚さ方向に略連続的に変化した状態となる。一般にＴＮモード、ＶＡモード(ＭＶＡモードを含む)、ホモジニアスモード、ハイブリツドアラインモード、オプテイカルコンペンセイテツドベンドモード、スーパートゥイステッドネマティックモードは法線方向において液晶層ＬＱに電界を印加することによりこの液晶層ＬＱの位相差や旋光性を制御する液晶表示モードである。このような液晶表示モードを採用した場合、中間階調および直交偏光板構成時の白表示、平行偏光板構成時の黒表示、逆極性円偏光板間に液晶パネルを配置した構成時の白表示、同極性円偏光板間に液晶パネルを配置した構成時の黒表示時の液晶分子配列において、液晶層ＬＱの平面に対して正の傾き角のネマティック液晶分子２０と負の傾き角のネマティック液晶分子２０とが対となって存在し、傾き角の値は液晶層ＬＱの厚さ方向に略連続的に変化した状態となる。従って、液晶層ＬＱのネマティック液晶分子２０の傾き角および位相差量がディスコティック液晶分子ＤＫの傾き角および位相差量によってそれぞれ相殺されるように光学位相差板ＲＴを構成すれば、液晶表示装置全体としては中間階調および直交偏光板構成時の白表示、平行偏光板構成時の黒表示、逆極性円偏光板間に液晶パネルを配置した構成時の白表示、同極性円偏光板間に液晶パネルを配置した構成時の黒表示時の視角依存性も補償される。
光学位相差板ＲＴの位相差の値は、光学位相差板ＲＴの厚さをtとしたときに、(ｎｘ−ｎｙ)ｔ＝５０nm、(ｎｘ−ｎｚ)ｔ=１２０nmとしてある。これは、液晶層ＬＱの厚さｄと液晶材料の屈折率異方性△ｎを乗じた値△ｎｄを２９０nmとした場合の設計値である。
ＭＶＡモードは液晶層ＬＱの位相差を電界制御するＥＣＢモード(Electrically Controlled Birefringence mode)であり、クロスニコル下における液晶層ＬＱの透過率Ｔ(ＬＣ)は次式で表わされる。
Ｔ(ＬＣ)=Ｉ０・sin２(２θ)・sin２(（△ｎ(λ,Ｖ)・ｄ／λ）・π)…（式１）
ここで、Ｉ０は偏光板ＰＬの平行透過率、θは液晶層ＬＱの遅相軸と偏光板ＰＬの透過軸とのなす角度、Ｖは印加電圧、ｄは液晶層ＬＱの厚さ、λは入射光波長である。式１において、屈折率異方性△ｎ(λ,Ｖ)はその領域における実効的な印加電圧およびネマティック液晶分子２０の各々の傾き角に依存する。Ｔ(ＬＣ)を０からＩ０に変化させるには△ｎ(λ,Ｖ)ｄ/λを０からλ/２のレンジで変化させる必要がある。ＭＶＡモードの場合、配向膜界面のネマティック液晶分子２０は電圧を印加しても殆ど傾斜しない。前述した△ｎ(λ,Ｖ)ｄ/λのレンジを０からλ/２とするには、液晶層の厚さｄと液晶材料の屈折率異方性△ｎを乗じた値△ｎｄを視角度の高い５５０nmの波長の半分より十分大きい値、具体的には２７０nm以上とする必要がある。但し、これを大きくしすぎると電気光学特性が急峻になりすぎるため上限は３５０nm程度である。この範囲の△ｎｄからなる液晶層ＬＱの液晶分子２０が略垂直に配列された状態にある場合、−３５０nmから−２７０nmの負の位相差が液晶層ＬＱの正の位相差を補償するために必要となる。偏光板ＰＬのベースフィルムであるＴＡＣは略一軸の負の位相差を有し、具体的には−７０nmの負の位相差を有する。２枚の偏光板ＰＬ間には偏光層の内側に２枚のベースフィルムが配置されるので２枚の偏光板ＰＬ間には−１４０nmの負の位相差層が存在することとなる。従って、上述した△ｎｄからなる液晶層ＬＱの液晶分子２０が略垂直に配列された状態にある場合、液晶層ＬＱの正の位相差を補償するには、２枚の偏光板ＰＬ間に別途、−２８０nmから−２００nmの負の光学位相差板ＲＴを設ける必要がある。
これを第１および第２光学位相差板ＲＴで実現するには、第１および第２光学位相差板ＲＴを直交配置し、各々の光学位相差板ＲＴの(ｎｘ−ｎｚ)ｔを１００nm≦(ｎｘ−ｎｚ)ｔ≦１４０nmとすればよい。同時に第１および第２偏光板ＰＬの視角依存性を補償するには(ｎｘ−ｎｚ)ｔ-(ｎｘ-ｎｙ)ｔ=７０nmとすればよく、従って(ｎｘ−ｎｙ)ｔは３０nm≦(ｎｘ−ｎｙ)ｔ≦７０nmとすればよい。
図１０は画素電極ＰＥの平面構造を示し、図１１は画素電極ＰＥからの電圧無印加時に液晶層ＬＱに得られる液晶分子配列を示し、図１２は画素電極ＰＥからの電圧印加時に液晶層ＬＱに得られる液晶分子配列を示す。図１０〜図１２では、薄膜トランジスタ１５、配向膜１８、カラーフィルタＣＦ等は省略されている。液晶パネルＤＰにおいて、複数の画素電極ＰＥは液晶分子２０が電圧の印加に伴って垂直配列状態と厚さ方向において徐々に傾斜したハイブリッド配列状態との間で遷移する複数の画素領域をそれぞれ規定する。各画素領域はハイブリッド配列状態で液晶分子２０の配向方向を互いに異ならせた例えば４個のドメインに区分される。この配向分割を行うため、図１０〜図１２に示すように、複数のスリットＳＬが画素電極ＰＥに配置され、突起ＰＳがスリットＳＬに平行して対向基板ＣＴの対向電極ＣＥ上に配置されている。突起ＰＳは１μmの高さで(株)ジェイエスアール製の透明レジストをパターニングすることにより形成される。図１０において、ＰＳ’は画素電極ＰＥに対する突起ＰＳの平面的な配置を表し、３４は配向分割のために画素電極ＰＥを覆う配向膜１８をラビング処理する場合のラビング方向を表し、３５は異なる方向にラビングされた領域が隣接するラビング境界を表す。このような構造では、画素領域内の液晶分子２０が電圧無印加時に図１１に示すように略垂直に配列され、電圧印加時に図１２に示すように突起ＰＳおよびスリットＳＬに直交する方位に傾き突起ＰＳおよびスリットＳＬの両側で対称的に配列される。従って、図１０に示すように突起ＰＳおよびスリットＳＬの向きを直交する２方向に設定することにより４個のドメイン間で液晶分子２０の配向方向を互いに９０°の角度ずつ異ならせることができる。各液晶分子２０の配向方向に対して偏光板ＰＬの吸収軸のなす角度θを４５°となるよう配置すれば、液晶層ＬＱの透過率Ｔ(ＬＣ)を０からＩ０の範囲で変化させることができる。
図１３はパネル正面の方位に対して左右方位において得られる液晶表示装置の視角−輝度特性の実測値を示し、図１４はパネル正面の方位に対して斜め方位において得られる液晶表示装置の視角−輝度特性の実測値を示し、図１５はパネル正面の方位に対して上下方位において得られる液晶表示装置の視角−輝度特性の実測値を示す。ここでは、０Ｖから４．７Ｖの範囲の電圧が液晶層ＬＱに印加された。横軸はパネル正面の方位を０°とした視角を示し、縦軸はパネルの輝度を透過率で示す。０Ｖは黒表示（最小）階調用の電圧であり、４．７Ｖは白表示（最大）階調用の電圧である。図１３〜図１５では、特性曲線の間隔が各視角においてほぼ一定の比率に維持されている。これらの視角−輝度特性は、従来のＭＶＡモード液晶表示装置で得られ図２４〜図２６に示す視角−輝度特性と比較して明らかに改善されている。これに伴い、従来のＭＶＡモード液晶表示装置で多色表示された画像が斜め視野で全体的に白茶けて見えるという問題が解消されている。図１６は本実施形態に係る液晶表示装置の視角−コントラスト特性の実測値である。ここでは、液晶表示装置が白表示（最大）階調用の電圧である４．７Ｖで駆動されている。この視角−コントラスト特性では、コントラスト（ＣＲ）が全方位において１０以上である。すなわち、図３０に示す従来のＭＶＡモード液晶表示装置とほぼ同等に優れた視角特性を実現できることがわかる。
次に本発明の第２実施形態に係る液晶表示装置について説明する。この液晶表示装置は配向分割数を２とする以外、第１実施形態と同様の構造、製法、および材料で構成される。
図１７は画素電極ＰＥの平面構造を示し、図１８は画素電極ＰＥからの電圧無印加時に液晶層ＬＱに得られる液晶分子配列を示し、図１９は画素電極ＰＥからの電圧印加時に液晶層ＬＱに得られる液晶分子配列を示す。図１７〜図１９では、薄膜トランジスタ１５、配向膜１８、カラーフィルタＣＦ等は省略されている。液晶パネルＤＰにおいて、複数の画素電極ＰＥは、第１実施形態と同様に液晶分子２０が電圧の印加に伴って垂直配列状態と厚さ方向において徐々に傾斜したハイブリッド配列状態との間で遷移する複数の画素領域をそれぞれ規定する。各画素領域はハイブリッド配列状態で液晶分子２０の配向方向を互いに異ならせた２個のドメインに区分される。この配向分割を行うため、アレイ基板ＡＲおよび対向基板ＣＴがマスクラビング法にて図１８および図１９に示すように画素領域をラビング境界３５で２分するようにラビングされる。すなわち、ラビング境界３５の両側でラビング方向を異ならせ、液晶層ＬＱに電圧を印加した際に液晶分子２０がラビング境界を軸として対称となる方向に液晶分子２０が傾くようにしてある。従って、液晶分子２０の傾く方位は互いに１８０°の角度をなす２方位となる。各々の液晶分子２０の傾く方位と偏光板ＰＬの吸収軸とのなす角度θを４５°となるよう配置すればＴ(ＬＣ)を０からＩ０の範囲で変化させることができる。
図２０はパネル正面の方位に対して左右方位において得られる液晶表示装置の視角−輝度特性の実測値を示し、図２１はパネル正面の方位に対して斜め方位において得られる液晶表示装置の視角−輝度特性の実測値を示し、図２２はパネル正面の方位に対して上下方位において得られる液晶表示装置の視角−輝度特性の実測値を示す。ここでは、０Ｖから４．７Ｖの範囲の電圧が液晶層ＬＱに印加された。横軸はパネル正面の方位を０°とした視角を示し、縦軸はパネルの輝度を透過率で示す。０Ｖは黒表示（最小）階調用の電圧であり、４．７Ｖは白表示（最大）階調用の電圧である。図２０〜図２２では、特性曲線の間隔が各視角においてほぼ一定の比率に維持されている。これらの視角−輝度特性は、配向分割数が２である従来のＭＶＡモード液晶表示装置で得られ図２７〜図２９に示す視角−輝度特性と比較して階調反転を解消している上に、配向分割数が４である従来のＭＶＡモード液晶表示装置で得られ図２４〜図２６に示す視角−輝度特性と比較しても明らかに改善されている。これに伴い、従来のＭＶＡモード液晶表示装置において多色表示された画像が斜め視野で全体的に白茶けて見えるという問題が解消されている。
図２３はこの液晶表示装置の視角−コントラスト特性の実測値である。ここでは、液晶表示装置が白表示（最大）階調用の電圧である４．７Ｖで駆動されている。この結果として、図３０および図３１に示す従来のＭＶＡモード液晶表示装置や図１６に示す第１実施形態に係る液晶表示装置とほぼ同等に優れた視角特性を実現できることがわかる。
本実施形態の液晶表示装置では、配向分割数が２とされている。従って、第１実施形態と比較すると、前述した配向分割数に起因した実質的開口率の低下を解消でき、絶対輝度上も第１実施形態以上にすることができる。従来の技術では、配向分割数を２にすると、斜め視野で階調反転が生じたりするため、優れた視野角特性が求められる用途には適していなかったが、本実施形態の液晶表示装置はこのような用途にも適用できる。
本発明の一実施形態に係る液晶表示装置の外観を示す図である。 図１に示す液晶表示装置の回路構造を概略的に示す図である。 図１に示す液晶表示装置の断面構造を示す図である。 図２に示す光学位相差板の構造を説明するための図である。 図４に示す光学フィルムにおいて屈折率楕円体を構成する円盤状の高分子を示す図である。 図４に示すｘ軸およびｚ軸を含むｘｚ平面に平行な光学位相差板ＲＴのｙ方位プロファイルを示す図である。 図４に示すｙ軸およびｚ軸を含むｙｚ平面に平行な光学位相差板のｘ方位プロファイルを示す図である。 図４に示すｘ軸およびｙ軸を含むｘｙ平面に平行な光学位相差板のｚ方位プロファイルを示す図である。 図３に示す液晶パネルに対する偏光板の吸収軸および光学位相差板の遅相軸との関係を示す図である。 図３に示す画素電極の平面構造を示す図である。 図１０に示す画素電極からの電圧無印加時に液晶層に得られる液晶分子配列を示す図である。 図１０に示す画素電極からの電圧印加時に液晶層に得られる液晶分子配列を示す図である。 図１に示すパネル正面の方位に対して左右方位において得られる液晶表示装置の視角−輝度特性の実測値を示す図である。 図１に示すパネル正面の方位に対して斜め方位において得られる液晶表示装置の視角−輝度特性の実測値を示す図である。 図１に示すパネル正面の方位に対して上下方位において得られる液晶表示装置の視角−輝度特性の実測値を示す図である。 図１に示す液晶表示装置の視角−コントラスト特性の実測値を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る液晶表示装置の画素電極の平面構造を示す図である。 図１７に示す画素電極からの電圧無印加時に液晶層に得られる液晶分子配列を示す図である。 図１７に示す画素電極からの電圧印加時に液晶層に得られる液晶分子配列を示す図である。 図１７に示す画素電極を用いた場合にパネル正面の方位に対して左右方位において得られる液晶表示装置の視角−輝度特性の実測値を示す図である。 図１７に示す画素電極を用いた場合にパネル正面の方位に対して斜め方位において得られる液晶表示装置の視角−輝度特性の実測値を示す図である。 図１７に示す画素電極を用いた場合にパネル正面の方位に対して上下方位において得られる液晶表示装置の視角−輝度特性の実測値を示す図である。 図１７に示す画素電極を用いた場合に得られる液晶表示装置の視角−コントラスト特性の実測値を示す図である。 配向分割数が４である従来のＭＶＡモード液晶表示装置のパネル正面の方位に対して左右方位において得られる視角−輝度特性の実測値を示す図である。 図２４の場合と同一のＭＶＡモード液晶表示装置のパネル正面の方位に対して斜め方位において得られる液晶表示装置の視角−輝度特性の実測値を示す図である。 図２４の場合と同一のＭＶＡモード液晶表示装置のパネル正面の方位に対して上下方位において得られる液晶表示装置の視角−輝度特性の実測値を示す図である。 配向分割数が２である従来のＭＶＡモード液晶表示装置のパネル正面の方位に対して左右方位において得られる視角−輝度特性の実測値を示す図である。 図２７の場合と同一のＭＶＡモード液晶表示装置のパネル正面の方位に対して斜め方位において得られる液晶表示装置の視角−輝度特性の実測値を示す図である。 図２７の場合と同一のＭＶＡモード液晶表示装置のパネル正面の方位に対して上下方位において得られる液晶表示装置の視角−輝度特性の実測値を示す図である。 図２４の場合と同一のＭＶＡモード液晶表示装置の視角−コントラスト特性の実測値を示す図である。 図２７の場合と同一のＭＶＡモード液晶表示装置の視角−コントラスト特性の実測値を示す図である。
符号の説明
ＴＭＤ…液晶表示装置、ＡＲ…アレイ基板、ＣＴ…対向基板、ＬＱ…液晶層、ＤＰ…液晶パネル、ＰＬ…第１および第２偏光板、ＲＴ…第１および第２光学位相差板、ＲＴ１，ＲＴ２…第１および第２光学フィルム、ＰＥ…画素電極、ＣＥ…対向電極、ＳＬ…スリット、ＰＳ…突起、ＤＫ…ディスコティック液晶分子、２０…ネマチィック液晶分子、３０…偏光板吸収軸、３１…位相差板面内遅相軸、３４…ラビング方向、３５…ラビング境界。

Claims (9)

  1. 円盤状の高分子からなる一群の屈折率楕円体をそれぞれ含む少なくとも一対の第１および第２光学フィルムを備え、前記第１光学フィルム内の屈折率楕円体は厚さ方向に直角な平面に対して徐々に傾斜して厚さ方向にハイブリッド配列された状態にあり、前記第２光学フィルム内の屈折率楕円体は前記第１光学フィルム内の屈折率楕円体の傾斜方位に対してそれぞれ反平行となるように徐々に傾斜して厚さ方向にハイブリッド配列された状態にあることを特徴とする光学位相差板。
  2. 液晶層が一対の電極基板間に挟持される構造の液晶パネルと、前記液晶パネルを挟持する一対の偏光板と、前記液晶パネルと前記一対の偏光板間に配置される一対の光学位相差板とを備え、各光学位相差板は互いに直交するｘ軸方向およびｙ軸方向、ｚ軸方向の平均屈折率ｎｘ，ｎｙ，ｎｚがｚ軸方向を法線方向に一致させた状態でｎｘ＞ｎｙ＞ｎｚの関係にある屈折率異方性を有し、各光学位相差板のｘ軸方向とこの光学位相差板に隣接する偏光板の透過軸とは略平行であることを特徴とする液晶表示装置。
  3. 前記一対の偏光板の透過軸は互いに直交していることを特徴とする請求項２に記載の液晶表示装置。
  4. 前記液晶パネルは、液晶分子が電圧の印加に伴って垂直配列状態と厚さ方向において徐々に傾斜したハイブリッド配列状態との間で遷移する複数の画素領域を含むことを特徴とした請求項２に記載の液晶表示装置。
  5. 各画素領域は前記ハイブリッド配列状態で液晶分子の配向方向を互いに異ならせた複数のドメインに区分されることを特徴とする請求項４に記載の液晶表示装置。
  6. 前記複数のドメインは２つのドメインであることを特徴とする請求項５に記載の液晶表示装置。
  7. 前記液晶層は液晶分子が電圧無印加時に垂直配列状態に設定される負の誘電率異方性を有する液晶材料を含むことを特徴とする請求項２に記載の液晶表示装置。
  8. 各光学位相差板の厚さtは３０nm ≦ (ｎｘ-ｎｙ)ｔ ≦ ７０nmおよび１００nm ≦ (ｎｘ-ｎｚ)ｔ ≦ １４０nmの関係を満足することを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
  9. 前記一対の電極基板は各画素領域に電圧を印加する電極を駆動する能動素子を備えることを特徴とした請求項２に記載の液晶表示装置。
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