JP2010079181A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示ユニット上に偏光層を介して液晶セルを積層した表示装置において、液晶セルで使用する可撓性基板の光学異方性に起因するコントラスト低下を低減させ、液晶セル下の表示ユニットや部材を見えにくくする。このときの設計や製造工程を簡単化させる。
【解決手段】液晶セル１０の液晶層中央にある液晶分子２４の長軸と可撓性基板３の遅相軸２６とが平行である。同時に偏光板４の透過軸２７と可撓性基板３に接する液晶分子２５の長軸とが平行である。
【選択図】図２

Description

本発明は、液晶セルを表示ユニット上に積層させた表示装置に関する。

従来から液晶セルを表示ユニット上に重ねて様々な機能を実現する手法が知られており、多くの応用例が示されてきた。本願発明者は、２枚の偏光板の間にプラスチック液晶セルを挟んでフロントパネルを作り、待機モードではフロントパネル全面が黒色をなし、画像表示モードになるとフロントパネル上に液晶表示モジュール（表示ユニット）の画面が現れる表示装置を開発した。この様子を図４に示す。図４は本願発明者が開発した表示装置の斜視図である。（ａ）は待機モードを示し、表示装置４１の上面（フロントパネル）は全面が黒色になっている。（ｂ）は画像表示モードを示し、フロントパネルの一部が透明になり液晶表示モジュールの画面４２が出現している。（ｃ）は時計表示モードを示し、フロントパネルに時計表示部４３に時刻が反射表示される。しかしながら、この表示装置ではプラスチック液晶セルを含むフロントパネルのコントラストが十分でなかったため、待機モードおいて液晶表示モジュールや時計表示用の反射板が僅かに透けて見えてしまった。

プラスチック液晶セルがコントラストを低下させる原因として、プラスチック基板に存在する小さな複屈折（光学異方性）が知られている。この解決方法としては、例えば下記特許文献１の請求項に「基板間に液晶を封入してなる液晶表示装置において、前記プラスチックの光学異方性ｄΔｎ（ｄ：基板の厚さ，Δｎ屈折率異方性）を１５ｎｍ以下とするか、若しくは前記プラスチック基板の光学異方軸の方向と該基板の液晶配向処理方向との間の角度を前記光学異方性ｄΔｎの値に対応して４５°より小さな所定の値に設定した‥‥」と記載されている。なお、一般に、プラスチック基板用のフィルム製造工程においては、フィルムが巻き取り時や引き出し時に延伸されるため、得られるプラスチック基板には光学異方性が発生する。
特開昭６０−７８４２０号公報（請求項１）

しかしながら、特許文献１には、１枚の液晶セルで構成された液晶表示装置に関する条件が示されているだけで、前述のようなプラスチック液晶セルの下に表示ユニットを備えた表示装置については何ら開示されていない。

特に特許文献１に記載された液晶セルでは、角度設定が基板の光学異方性ｄΔｎに依存した中間的な値をとるため設計や製造が煩瑣になる。

本発明は、上記従来技術の有する問題に鑑みてなされたものであり、可撓性基板の光学異方性に起因するコントラスト低下により液晶セルの裏側に配置された部材が透けて見える現象を低減させることができると共に、設計や製造工程を簡単化することが可能な表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、表示用の画面を有する表示ユニット上に液晶セルを備えた表示装置において、表示ユニットと液晶セルとの間に偏光層を備え、液晶セルが光学異方性を有する２枚の可撓性基板を有し、該２枚の可撓性基板間にツイストネマティック液晶層を挟持し、液晶層への電圧無印加時には液晶層の厚み方向の中央に位置する液晶分子の長軸が前記２枚の
可撓性基板の遅相軸または進相軸と平行となっており、液晶セルの視認側とは反対側にある可撓性基板に接触する液晶分子の長軸方向と、偏光層の透過軸または吸収軸とが平行となっていることを特徴とするものである。

液晶セルの平面積が前記表示ユニットの前記画面よりも大きくてもよい。

可撓性基板の遅相軸は、可撓性基板の延伸方向に対し平行または垂直であることが好ましい。

表示ユニットが液晶表示モジュールまたは有機ＬＥＤ表示モジュールであってもよい。

本発明によれば、２枚の可撓性基板間で光学異方性が相殺され、液晶セルに入射した直線偏光が概ね直線偏光として出射するので、コントラスト低下を低減することができる。

さらに本発明によれば、偏光板や可撓性基板の光軸（透過軸や遅相軸等）が、それぞれ４５°又は９０°の関係を保つため設定角度が単純化するので、設計や製造工程を簡単化することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１により本発明の実施形態における積層構造を説明する。図１は、実施形態に係る表示装置を示す要部断面図である。概観すると、液晶セル１０の上下には偏光板１，４が貼りつけられており、偏光板４の下面には液晶セル１０より幅の狭い表示ユニット１１が取り付けられている。なおケースや化粧板などの外装は描いていない。

液晶セル１０の２枚の可撓性基板２，３は間隙（図示せず）を有し、この間隙の両端にはシール（図示せず）が備えられている。可撓性基板２，３とシールによって作られた空間には液晶層（図示せず）が挟持されている。この液晶層は、可撓性基板２，３の間で９０°ツイストしたツイストネマチック液晶である。可撓性基板２，３の液晶層側の表面には、液晶層を駆動する透明電極（図示せず）が形成されており、透明電極を覆うように配向膜（図示せず）が塗布されている。配向膜はラビング処理されており、ラビング方向が可撓基板２，３に接する液晶分子の長軸方向と一致する。また可撓性基板２，３は、厚さが１２０μｍのポリカーボネートからなり光学異方性を有している。

表示ユニット１１は、バックライト９上に、偏光板８、下ガラス基板７、上ガラス基板６、偏光板５が積層している。表示ユニット１１の上下のガラス基板６，７とシール（図示せず）によって作られた間隙に液晶層（図示せず）が挟持されている。さらにガラス基板６（または７）の液晶層側にはマトリクス状に多数の画素が配列し、各画素は薄膜トランジスタ（以後ＴＦＴと呼ぶ）からなるスイッチング素子を備えている。このＴＦＴ液晶表示モジュール（表示ユニット１１）の画素が配列した領域が画面に相当する。

以上のように本実施形態は、ＴＦＴ液晶表示モジュールからなる表示ユニット１１上に、偏光板４からなる偏光層を介して液晶セル１０が積層している。ここで偏光板４，５の透過軸は平行である。

図２により液晶セル１０に関わる積層部材の光軸と液晶分子配列を説明する。図２は本
実施形態に係る表示装置において、視認側の偏光板１、液晶セル１０の可撓性基板２，３、視認側と反対側の偏光板４の分解斜視図である。方向関係を明確にするため図中、層部材間で共通のｚ軸を用い、層部材毎にｘ軸とｙ軸を示す。ここで、図中ｘｙ平面において、ｘ軸とｙ軸によって４分割された領域の右下から反時計回りにそれぞれ第１〜第４象限とする。また光軸を中線の矢印、液晶分子を太線の矢印で示す。なお層部材の厚さは無視している。

まず光軸から説明する。偏光板１，４の透過軸２１，２７は平行で、ｘ軸およびｙ軸と４５°で交差している。可撓性基板２，３の遅相軸２２，２６はｙ軸と平行である。なお、各可撓性基板２，３の進相軸（図示せず）は各遅相軸２２，２６と直交している。

ところで、可撓性基板２，３は、その製造の際に延伸工程を経て形成される。そして、本実施形態に係る可撓性基板２，３では、遅相軸２２，２６が上記延伸工程での延伸方向に対し平行となっている。これにより、遅相軸方向の特定が容易となり、設計や製造工程を簡単化することができる。

なお、液晶セル１０はポリカーボネートからなるので可撓性基板２，３の遅相軸が延伸方向に対して平行となっているが、他の基板材料を使うことで遅相軸が延伸方向に対して垂直となっていてもよい。いずれにしても、遅相軸方向の特定が容易となるため、設計や製造工程が簡単化される。

次に液晶セル１０の液晶分子の方向を説明する。可撓性基板２の下面に接する液晶分子２３の長軸は、可撓性基板２のｘｙ平面の第４象限から第２象限に向かっており、ｘ軸およびｙ軸と４５°で交差している。これに対し可撓性基板３の上面に接する液晶分子２５の長軸は、可撓性基板３のｘｙ平面の第３象限から第１象限に向かっている。なおｘ軸およびｙ軸との交差角は４５°である。可撓性基板２，３間の液晶分子配列は９０°ツイストしているので、可撓性基板２，３間の中央にある液晶分子２４の長軸はｙ軸と平行になる。すなわち電圧無印加時には液晶層中央にある液晶分子２４の長軸と可撓性基板２，３の遅相軸２２，２６とが平行になっている。

最後に偏光板の光軸と液晶分子の方向関係について説明する。偏光板１の透過軸２１と可撓性基板２に接触する液晶分子２３の長軸方向は直交している。可撓性基板３に接触する液晶分子２５の長軸方向と、偏光板４の透過軸２７とは平行になっている。

図３により液晶セル１０へ入射する光の挙動について定性的な説明を試みる。図３は偏光状態と光軸の関係を示す説明図である。

図３（ａ）は、可撓性基板３の裏面に直線偏光３４が入射するときの遅相軸２６と進相軸３５を示している。ここで直線偏光３４の振動面は偏光板４の透過軸２７方向に等しい。Ｘ軸とＹ軸は、それぞれ可撓性基板３のｘ軸とｙ軸に相当する。

図３（ｂ）は、可撓性基板３から出射した光の偏光状態を示している。可撓性基板３の光学異方性により直線偏光３４は楕円偏光３６になる。実際の楕円偏光の長軸は複屈折により４５゜方向（直線偏光３４方向）からずれているはずだが、可撓性基板３の光学異方性が小さいので、楕円偏光の長軸が直線偏光３４方向を向いているとみなす。なお楕円偏光３６はかなり扁平になるが、説明のため短軸を大きくして描いている。

図３（ｃ）は、液晶層を通過して可撓性基板２に入射する際の偏光状態を示している。ここで図３（ｂ）と図３（ｃ）で楕円が同じ向きになるように座標軸を入れ替えている。この座標軸は、図２のｚ軸を中心に液晶分子配列のツイスト方向に９０°可撓性基板２を
回転させたものである。すなわち、液晶分子配列のツイストを解く、ないし捻れていた状態を開放するようなイメージである。この結果、Ｘ軸とＹ軸は可撓性基板２のｙ軸とｘ軸（逆向き）となる。この座標軸変換に対応して可撓性基板２の遅相軸２２と進相軸３８はそれぞれＸ軸とＹ軸に平行になる。

図３（ｄ）は、可撓性基板２から出射する光の偏光状態を示している。Ｘ軸とＹ軸は図３（ｃ）と等しい。出射する光は直線偏光３９となる。

図３（ｃ）において座標軸を回転させた意味をさらに詳しく説明する。この座標軸変換は、旋光の要素を取り去り、光の進行状況を単純化して視覚化することを目的としている。これで２枚の可撓性基板２，３の光学異方性が与える影響だけを考察できる。別の見方をすれば、液晶セル１０の裏側から眺めた場合、９０°旋光により可撓性基板３のｘ軸は可撓性基板２のｙ軸と重なる。同様に可撓性基板３のｙ軸は可撓性基板２のｘ軸（逆向き）に重なって見える。つまり液晶層により可撓性基板３のｘ軸とｙ軸とが可撓性基板２のｙ軸とｘ軸（逆向き）に重なるのだから、捩じれ（ツイスト）を取り去った状態として（ｂ）と（ｃ）の関係が得られる。

すなわち、液晶層が引き起こす９０°旋光の影響を取り去ってしまうと、可撓性基板３に入射する光にとって可撓性基板３，２は、光学異方性が等しく遅相軸同士が直交する２枚の位相差板が重ったフィルムと等しくなる。このとき入射光のＸ成分は最初の位相差板で進相し２枚目の位相差板で遅相する。これとは反対にＹ成分は最初の位相差板で遅相し２枚目の位相差板で進相する。つまりＸ成分とＹ成分の位相量（光学距離）が等しくなるので入射光がそのまま出射する。

なお、前述の説明において液晶層の複屈折は無視していた。つまり液晶分子の長軸方向と短軸方向で光の伝搬速度は等しいかのように説明していた。しかし実際には液晶層内で常光と異常光との位相がちょうど２π（３６０゜）程度ずれているため、見かけ上可撓性基板３を出射した楕円偏光がそのまま可撓性基板２に入射するものとみなせるということ前提にしている。つまり、長軸方向の屈折率と短軸方向の屈折率の差Δｎと液晶層の厚みｄとの積である光路差Δｎｄが真空中の光の波長λと同程度（または整数倍）であるというツイストネマチック液晶セルの標準的な設計条件が採用されていると仮定している。実際には、液晶層を通過するとき、楕円偏光３６は、楕円の長軸が４５゜方向を中心に振れながら、直線偏光、回転方向が反対向きの楕円偏光、直線偏光という順番で変化し、最後に楕円偏光３７になる。

再び図２に戻り光の伝搬状態を説明する。裏面側から偏光板４を透過した光は透過軸２７の方向を向いた直線偏光となる。この直線偏光が液晶セル１０に入射すると、前述の説明から液晶分子２３の長軸方向の直線偏光となって可撓性基板２を出射する。この直線偏光は偏光板１の透過軸２１と直交しているので偏光板１に全て吸収される。このようにして裏面からの入射光が遮断される。同様に外光として偏光板１側から入射する光も、偏光板１，４で全て吸収される。この結果、偏光板１側から眺めると深い黒となって見える。この黒レベルの下がった状態が高いコントラストに相当する。

なお以上の説明は液晶層に電圧が印加されていない領域（オフ領域）に関するものであった。液晶層に電圧が印加される領域（オン領域）では、液晶分子が垂直になり液晶層で旋光が起きないので、偏光板１（または４）を透過した直線偏光はそのまま偏光板４（または１）を透過する。

図１と図４と比較しながら本実施形態の動作状況を説明する。図４（ａ）に相当する待機モードでは、液晶セル１０と偏光板１，４を含むフロントパネルは前述のように深く
沈んだ黒となっているため、液晶セル１０の下側にある表示ユニット１１の画面を見せない。またフロントパネルの下には表示ユニット１１以外にもいろいろな部品（図４の場合は時計表示用の反射板）があることが多く、これらの部品も待機モードでは深く沈んだ黒を呈するフロントパネルにより隠されてしまう。一方、図４（ｂ）の表示モードでは、表示ユニット１１のバックライト９が点灯し、画面に画像が表示されるのと同時に、画面と重なるフロントパネル領域が透明になり、表示画像を視認できるようになる。

本実施形態において、液晶セル１０に対し偏光板１，４の透過軸方向は平行である。この構成は液晶層への電圧無印加時に遮光機能を有するのでノーマリブラックと呼ばれる。本実施形態では偏光板１，４の透過軸２１，２７と可撓性基板３に接する分子長軸２５が平行であったが、偏光板１，４の透過軸と分子長軸２５を直交させても良い。すなわちノーマリブラックでは偏光板１，４の吸収軸と分子長軸２５が平行であっても良い。

また、偏光板１の透過軸を視認側の可撓性基板２に接する分子長軸２３と平行にすることも可能である。このように液晶セル１０を挟んで偏光板１，４の透過軸を直交させると、電圧無印加時に光が透過するようになるので、これをノーマリホワイトと呼んでいる。液晶層に電圧を印加し表示装置表面を全て黒色にして使う場合、液晶分子が基板に対し垂直に立っているので異常光と常光の間に位相差が生じないため、ノーマリブラックの時の位相条件（Δｎｄ／λ＝整数）という制約がなくなる。

また、液晶の位相差がおよそ半整数｛Δｎｄ／λ＝（２ｎ＋１）／２,ｎは整数｝であ
る場合、基板３を出射した楕円偏光３６は基板２に入射するときに常光と異常光の位相差がπ（１８０°）となるため楕円偏光３７とは逆回転の楕円偏光となる。このときは図３（ｃ）においてＸ軸方向に進相軸、Ｙ軸方向に遅相軸を設定すればよい。すなわち液晶セル１０の上下の可撓性基板２，３の遅相軸同士を直交させることに対応する。

偏光眼鏡等など表示装置から離れた位置に視認側の偏光板を備えることで偏光板１がない表示装置を構成できる。本実施例では、表示ユニット１１としてツイストネマチック液晶層を備えたＴＦＴ液晶モジュールとした。しかし本発明の表示装置は、ＴＦＴ液晶モジュールであってもツイストネマチック液晶に限られるわけではなく、ベンド配向や垂直配向、水平配向型の液晶層でもよい。さらにＳＴＮ（スーパーツイステッドネマチック）液晶表示モジュールや強誘電液晶表示モジュールであっても良い。また偏光板４があるので液晶セル１０には直線偏光が入射するから、ＣＲＴや有機ＬＥＤ表示モジュールのように出射光に偏光のない表示ユニットでもよい。

液晶表示モジュールのように視認側に偏光板を使用する表示ユニットに対し、この視認側の偏光板と偏光板４を共用することができ、これで本発明の表示装置は偏光板一枚分薄くなる。

また反射率の高い部品が視認側とは反対側にある場合は偏光板４の裏面側にλ／４位相差板を挿入することでいっそう待機時の黒レベルを下げることができる。特に有機ＬＥＤ表示モジュールなど反射率の高い表示モジュールを使う場合に有効である。

また進相軸と遅相軸により位相差が相殺されれば良いので、液晶層の中央分子長軸は進相軸と平行であっても良い。

フィルム延伸方向に遅相軸が発生する材料はポリカーボネートが知られている。これに対し、ポリサルホンやポリスチレン等はフィルム延伸方向に垂直に遅相軸が発生する。

本発明の実施形態に係る表示装置を示す断面図である。 図１に示す表示装置の液晶セルに係る積層部材の分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る表示装置の偏光状態を示す図である。 従来の表示装置の斜視図である。

符号の説明

１，４，５，８…偏光板
２，３…可撓性基板
６，７…ガラス基板
９…バックライト
１０…液晶セル
１１…表示ユニット
２１，２７…透過軸
２２，２６…遅相軸
２３，２４，２５…液晶分子
３５，３８…進相軸
４１…表示装置
４２…画面
４３…時計表示部

Claims (4)

1. 表示用の画面を有する表示ユニット上に液晶セルを備えた表示装置において、
   前記表示ユニットと前記液晶セルとの間に偏光層を備え、
   前記液晶セルが光学異方性を有する２枚の可撓性基板を有し、
   該２枚の可撓性基板間にツイストネマティック液晶層を挟持し、
   前記液晶層への電圧無印加時には前記液晶層の厚み方向の中央に位置する液晶分子の長軸が前記２枚の可撓性基板の遅相軸または進相軸と平行となっており、
   前記液晶セルの視認側とは反対側にある前記可撓性基板に接触する前記液晶分子の長軸方向と、前記偏光層の透過軸または吸収軸とが平行となっていることを特徴とする表示装置。
2. 前記液晶セルの平面積が前記表示ユニットの前記画面よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記可撓性基板の遅相軸は、該可撓性基板の延伸方向に対し平行または垂直であることを特徴とする請求項１または２に記載の表示装置。
4. 前記表示ユニットが液晶表示モジュールまたは有機ＬＥＤ表示モジュールであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の表示装置。

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