JP4228973B2 - 液晶表示装置および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置および電子機器に関するものである。

液晶表示装置として反射モードと透過モードとを兼ね備えた半透過反射型液晶表示装置が知られている。このような半透過反射型液晶表示装置として、上基板と下基板との間に液晶層が挟持されるとともに、例えばアルミニウム等の金属膜に光透過用の窓部を形成した反射膜を下基板の内面に備え、この反射膜を半透過反射板として機能させるものが提案されている。（なお、本明細書では一対の基板の液晶層側の面を内面、反対側の面を外面という）この場合、反射モードでは上基板側から入射した外光が、液晶層を通過した後に下基板の内面の反射膜で反射され、再び液晶層を通過して上基板側から出射され、表示に寄与する。一方、透過モードでは下基板側から入射したバックライトからの光が、反射膜の窓部から液晶層を通過した後、上基板側から外部に出射され、表示に寄与する。したがって、反射膜の形成領域のうち、窓部が形成された領域が透過表示領域、その他の領域が反射表示領域となる。

ところが、従来の半透過反射型液晶表示装置には、透過表示での視角が狭いという課題があった。これは、視差が生じないよう液晶セルの内面に半透過反射板を設けている関係で、観察者側に備えた１枚の偏光板だけで反射表示を行わなければならないという制約があり、光学設計の自由度が小さいためである。そこで、この課題を解決するために、下記の特許文献１，２および非特許文献１に、垂直配向液晶を用いる新しい液晶表示装置が提案されている。
特開２００２−４０４２８号公報 特開平１５−１１３５６１号公報 "Development of transflective LCD for high contrast and wide viewing angle by using homeotropic alignment", M.Jisaki et al., Asia Display/IDW'01, p.133-136(2001)

上記の特許文献１，２および非特許文献１においては、液晶層に円偏光を入射させるため、直線偏光板と１／４波長板（位相差板）とを組み合わせた円偏光板を基板の外面側に具備している。このような円偏光板の特性は視角特性に大きく影響を及ぼすが、上記の文献には、円偏光板について詳細な条件を規定する旨の記載はなく、視角によってコントラスト比が低下する場合がある。例えば上述の構造では、斜め方向から見た場合の表示に黒浮きが生じ、コントラスト比が十分にとれなくなるといった問題がある。以上、半透過反射型液晶表示装置の例を挙げて問題点を説明したが、これは半透過反射型に限るものではなく、透過型液晶表示装置にも共通する問題である。また、ここでは垂直配向方式を例に挙げて説明したが、上記の問題は係る方式に限らず、他の方式（例えばＴＮ方式）の液晶表示装置にも共通する問題である。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、円偏光板を用いた際の斜め方向での黒浮きを抑制することのできる液晶表示装置および電子機器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の液晶表示装置は、一対の基板間に液晶層を挟持してなる液晶表示装置であって、前記一対の基板の外面には円偏光板がそれぞれ設けられ、前記円偏光板の各々が、入射光の波長の略１／４の位相差を有する１／４波長板と直線偏光板とを有し、前記一対の基板のうちの少なくとも一方の基板において、前記１／４波長板と前記直線偏光板との間に複屈折素子が設けられ、前記複屈折素子について、その平面内における互いに直交する方位角方向の屈折率をｎｘ，ｎｙとし、厚さ方向の屈折率をｎｚとした場合に、ｎｚ＞ｎｘ若しくはｎｚ＞ｎｙを満足することを特徴とする。

本発明者は、前述の黒浮きの問題が円偏光板等の配置の工夫のみによっては改善できないことから、その原因を円偏光板自体の持つ視角特性によるものと考え、本発明を完成するに到った。本発明の液晶表示装置では、円偏光板を備えた構造を前提とし、その円偏光板の平面方向の位相差を複屈折素子によって補償するようにしている。
図９，図１０は本発明の複屈折素子の作用を説明するための図である。図９（ｂ）は従来の液晶表示装置の構成を模式的に示す図であり、図１０（ｂ）は本発明の液晶表示装置の構成を模式的に示す図である。ここでは、話を単純化するために、液晶表示装置から液晶パネルを取り除いたもの、即ち、円偏光板や複屈折素子のみを取り出した構造について説明する。これらの構成では、上下の円偏光板は直交しており、正面から見て黒表示が行なわれるようになっている。また、図９（ａ），図１０（ａ）は、それぞれ図９（ｂ），図１０（ｂ）の構成において、方位角が０°〜３６０°、極角０°（パネルの法線方向）〜８０°の座標における黒表示の等輝度曲線を示している。なお、等輝度曲線のスケールは図９（ａ），図１０（ａ）について等しく示されている。

図９（ａ）に示すように、従来の液晶表示装置では、中央に黒表示が黒く沈んだ部分（網掛けハッチングした符号Ｄの領域）があり、右上、左上、右下、左下の４隅に黒表示が明るく浮いた部分（点でハッチングした符号Ｂの領域）が見られる。一方、図１０（ａ）に示す本発明の液晶表示装置では、上下左右の４箇所に明るく浮いた部分（点でハッチングした符号Ｂ′の領域）が生じるが、この領域Ｂ′の明るさは領域Ｂのものに比べて小さくなっており、コントラストが大幅に改善されていることがわかる。このシミュレーションでは、複屈折素子の厚み方向のリタデーション（屈折率（ｎｚ−ｎｙ）×厚みｄ）を１４０ｎｍとしているが、この屈折率ｎｚの値を変えても、ｎｚが前述の条件を満足する限りにおいて同様の傾向が見られることが本発明者によって確認されている。

本発明の液晶表示装置では、前記複屈折素子の遅相軸と前記直線偏光板の吸収軸とが略平行であることが好ましい。このような構成とすることで、全方位にわたって黒浮きのない表示を実現することができる。

また本発明の液晶表示装置では、前記複屈折素子について、ｎｘ＞ｎｙ、Δｎ＝ｎｚ−ｎｙとし、前記複屈折素子の厚みをｄとした場合に、８０ｎｍ≦Δｎ・ｄ≦１８０ｎｍを満足することが好ましい。本発明者は、複屈折素子の屈折率異方性Δｎに着目し、Δｎ・ｄを種々に変えた場合に、斜め方向から見た場合の黒表示時の明るさがどのように変化するかをシミュレーションした（シミュレーション結果は後述する）。その結果、Δｎ・ｄが上記の範囲内にあるときに、斜め方向での黒浮きが十分に抑制されることを見出した。特にΔｎ・ｄを１４０ｎｍ近傍の値とした場合には、どのような角度から見ても殆ど黒浮きのない表示が得られる。

本発明は、１つのドット領域内に透過表示を行う透過表示領域と反射表示を行う反射表示領域とを備えた半透過反射型液晶表示装置に適用することができる。この構成によれば、使用場所の明暗に係わらず視認性に優れた広視野角の液晶表示装置を得ることができる。

本発明の電子機器は、上記本発明の液晶表示装置を備えたことを特徴とする。この構成によれば、広い視角を有する液晶表示部を備えた電子機器を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の液晶表示装置の一例であるアクティブマトリクス型の半透過反射型液晶表示装置の画素部を拡大して示す部分断面図である。
本実施形態の液晶表示装置１００は、アレイ基板１０上に複数の矩形状の画素電極１３を備えており、マトリクス状に配置されたこれらの画素電極の境界に沿ってデータ線や走査線等が設けられている。各画素電極１３を囲むように配設されたデータ線、走査線等が形成された領域の内側が一つのドット領域であり、マトリクス状に配置された各ドット領域毎に表示が可能な構造になっている。

図１に示す液晶表示装置１００は、アレイ基板１０とこれに対向配置された対向基板２０との間に、初期配向状態が垂直配向を呈する誘電率異方性が負の液晶材料からなる液晶層５０が挟持されており、アレイ基板１０の外面側にバックライト６０が備えられた構成となっている。アレイ基板１０は、石英、ガラス等の透光性材料からなる基板本体１０Ａの表面にアルミニウム、銀等の反射率の高い金属膜からなる反射膜１１が絶縁膜１９を介して部分的に形成された構成をなしている。反射膜１１の形成領域が反射表示領域３０となり、反射膜１１の非形成領域、すなわち反射膜１１の開口部内が透過表示領域４０となる。このように、本実施の形態の液晶表示装置１００は、垂直配向型の液晶層５０を備える垂直配向型液晶表示装置であって、反射表示および透過表示を可能にした半透過反射型の液晶表示装置である。

基板本体１０Ａ上に形成された絶縁膜１９は、その表面に凹凸形状を具備しており、その凹凸形状に倣って反射膜１１の表面が凹凸を有している。このような凹凸により反射光が散乱されるため、外部からの映り込みが防止され、広視野角の表示を得ることが可能とされている。また、反射膜１１上には、反射表示領域３０に対応する位置に絶縁膜１２が形成されている。すなわち、反射膜１１の上方に位置するように選択的に絶縁膜１２が形成され、絶縁膜１２の形成に伴って液晶層５０の層厚を反射表示領域３０と透過表示領域４０とで異ならせている。絶縁膜１２は例えば膜厚が２〜３μｍ程度のアクリル樹脂等の有機膜からなり、反射表示領域３０と透過表示領域４０との境界付近において、自身の層厚が連続的に変化するべく傾斜面を備えた傾斜領域を有している。絶縁膜１２が存在しない部分の液晶層５０の厚みが４〜６μｍ程度とされ、反射表示領域３０における液晶層５０の層厚は透過表示領域４０における液晶層５０の層厚の約半分とされている。

このように絶縁膜１２は、自身の膜厚によって反射表示領域３０と透過表示領域４０との液晶層５０の層厚を異ならせる液晶層厚調整層として機能するものである。また、本実施の形態の場合、絶縁膜１２の上部の平坦面の縁と反射膜１１（反射表示領域）の縁とが略一致しており、絶縁膜１２の傾斜領域は透過表示領域４０に含まれることになる。そして、絶縁膜１２の表面を含むアレイ基板１０の表面には、インジウム錫酸化物（Indium Tin Oxide, 以下、ＩＴＯと略記する）等の透明導電膜からなる画素電極１３、ポリイミド等からなる垂直配向膜（図示略）が形成されている。なお、本実施の形態では、反射膜１１と画素電極１３とを別個に設けて積層したが、反射表示領域３０においては金属膜からなる反射膜を画素電極として用いることも可能である。
一方、透過表示領域４０においては、基板本体１０Ａ上に絶縁膜１９が形成され、その表面には反射膜１１および絶縁膜１２は形成されていない。すなわち、絶縁膜１９上に画素電極１３、およびポリイミド等からなる垂直配向膜が形成されている。

対向基板２０側は、ガラス、石英等の透光性材料からなる基板本体２０Ａの内面に、カラーフィルタ２２が設けられている。なお、図中、符号ＢＭはブラックマトリクスを示している。カラーフィルタ２２の液晶層側には、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる共通電極２３、ポリイミド等からなる垂直配向膜（図示略）が形成されている。共通電極２３には反射表示領域３０に開口部が形成されており、この開口部によって生じる斜め電界によって、液晶分子の倒れる方向を規制できるようになっている。

次に、アレイ基板１０の基板本体１０Ａの外面側には、基板本体側からＣプレート１５、１／４波長板１６、および直線偏光板１７が接着層（図示略）を介して貼付されている。対向基板２０の基板本体２０Ａの外面側には、基板本体側からＣプレート２５、１／４波長板２６、複屈折素子２８、および直線偏光板２７が接着層（図示略）を介して貼付されている。

１／４波長板１６，２６は、入射光の波長の略１／４の位相差（リタデーション）を有しており、本実施の形態の場合、波長５６０ｎｍの入射光に対して１４０ｎｍの位相差を有する延伸フィルムを用いている。１／４波長板１６，１／４波長板２６の遅相軸はそれぞれ偏光板１７，偏光板２７の吸収軸に対して４５°にクロスするように配置されており、これら１／４波長板１６及び直線偏光板１７によって下側の円偏光板が構成され、１／４波長板２６及び直線偏光板２７によって上側の円偏光板が構成されている。なお、これらの円偏光板の光学軸は、初期状態において黒表示が行なわれるような配置とされている。つまり、偏光板１７の吸収軸と偏光板２７の吸収軸とは直交しており、１／４波長板１６の遅相軸と１／４波長板２６の遅相軸とは直交している。

複屈折素子２８は，円偏光板（１／４波長板２６，直線偏光板２７）が持つ視角特性を補償するためのものであり、その厚み方向の屈折率が、その平面内の屈折率の小さい方よりも大きくなるような光学特性を有している。すなわち、複屈折素子２８は、図４に示すように、その平面内において互いに直交する方位角方向の屈折率をｎｘ，ｎｙとし、厚さ方向の屈折率をｎｚとした場合に、ｎｚ＞ｎｘ若しくはｎｚ＞ｎｙの条件を満足するような光学特性を有している。本例では例えばｎｚ＝ｎｘ＞ｎｙに設定されている。

Ｃプレート１５，２５は、厚み方向に位相差を有する位相差フィルムであり、その厚み方向の屈折率（ｎｚ）が平面内の屈折率（ｎｘ，ｎｙ；ｎｘ＝ｎｙ）よりも小さくなるような光学特性を有している。本例では、Ｃプレート１５，２５の厚みをｄとしたときのリタデーション値（ｎｚ−ｎｘ）・ｄが１２０ｎｍに設定されている。
また、液晶層５０は、その屈折率異方性をΔｎ、層厚をｄとしたときのリタデーション値Δｎ・ｄが０．４〜０．５の範囲にあるように設定されている。具体的には、例えばΔｎ・ｄ＝０.４１と設定されている。

上述のように、本実施形態の液晶表示装置１００は、円偏光板を構成する１／４波長板２６と直線偏光板２７との間に、該円偏光板自体が持つ視角特性を補償するための複屈折素子２８を備えているので、斜め方向から見た場合にも黒浮きが生じにくく、コントラストの高い表示が可能である。

［第１の実施例］
次に、本発明の第１の実施例について説明する。本実施例では、前記実施形態の構成の液晶表示装置を前提として、本発明者がシミュレーションによりコントラストの視角特性を求めた結果を示す。図３〜図６は、方位角が０°〜３６０°、極角０°（パネルの法線方向）〜８０°の座標における黒表示の等輝度曲線を示している。

図３は、複屈折素子２８を備えない構成（比較例）における黒表示の等輝度曲線を示している。図３では、中央に黒表示が黒く沈んだ部分（網掛けのハッチングの符号Ｄの領域）があり、右上、左上、右下、左下の４隅に黒表示が明るく浮いた部分（点でハッチングした符号Ｂ１の領域）が見られる。このような領域Ｂ１では十分なコントラストがとれなくなる。
一方、図４は、複屈折素子２８の遅相軸が上偏光板２７の透過軸と平行に配置された構成（実施例１）における黒表示の等輝度曲線を示している。図４にも、右上、左上、右下、左下の４隅に、黒浮きが生じる部分（点でハッチングした符号Ｂ２の領域）が生じるが、この領域Ｂ２の明るさは領域Ｂ１のものに比べて小さくなっており、コントラストが大幅に改善されていることがわかる。

図５は、複屈折素子２８の遅相軸が上偏光板２７の吸収軸と略平行に配置された構成（実施例２）における黒表示の等輝度曲線を示している。この構成では、全方位にわたって黒浮きのない表示が実現されており、視角特性は最もよくなる。
図６は、複屈折素子２８の代わりに、ｎｚ＞ｎｘ（＝ｎｙ）の条件を満たすフィルムが配置された構成（実施例３）における黒表示の等輝度曲線を示している。この構成は、前記実施例１，実施例２の構成に比べて黒浮き（点でハッチングした符号Ｂ４の領域）の度合いが若干高いが、それでも従来のもの（比較例）に比べてかなりの改善効果が見られる。

［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。本実施例では、前記実施例３の構成において、ｎｘ＞ｎｙ、Δｎ＝ｎｚ−ｎｙとし、Δｎを変化させて、最も黒が沈まない４５°方向の明るさの変化を調べた。図７は、Δｎを２０ｎｍ刻みで６０ｎｍから２００ｎｍまで変化させた場合のシミュレーション結果を示している。図７において、横軸は極角度、縦軸は黒表示の明るさである。この図からわかるように、位相差Δｎが大きくなるに従って黒浮きが徐々に小さくなり、更に位相差Δｎを大きくしていくと、黒浮きがまた徐々に大きくなっていく。また、Δｎの値が８０ｎｍ〜１８０ｎｍの範囲内にあるときに黒浮きが十分に抑制され、特にΔｎを１４０ｎｍとした場合には、どのような角度から見ても高コントラストな表示が実現されることがわかる。

［電子機器］
次に、本発明の上記実施の形態の液晶表示装置を備えた電子機器の具体例について説明する。
図８は、携帯電話の一例を示した斜視図である。この図において、符号１０００は携帯電話本体を示し、符号１００１は上記液晶表示装置を用いた表示部を示している。このような携帯電話等の電子機器の表示部に、上記実施の形態の液晶表示装置を用いた場合、コントラストが高く、広視野角の液晶表示部を備えた電子機器を実現することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施の形態では、半透過反射型液晶表示装置に本発明を適用した例を示したが、液晶表示装置の構造はこのようなものに限定されるものではなく、透過型，反射型の液晶表示装置に本発明を適用することも可能である。また、表示方式も垂直配向方式に限らず、ＴＮ方式等の他の方式を採用することができる。その他、各種構成要素の材料、寸法、形状等に関する具体的な記載は、適宜変更が可能である。

本発明の一実施形態に係る液晶表示装置を模式的に示す断面図。 複屈折素子の屈折率異方性を示すための説明図。 比較例（従来構成）に係る液晶表示装置の等輝度曲線を示す図。 実施例１に係る液晶表示装置の等輝度曲線を示す図。 実施例２に係る液晶表示装置の等輝度曲線を示す図。 実施例３に係る液晶表示装置の等輝度曲線を示す図。 実施例３に係る液晶表示装置について極角度に対して黒表示の明るさをプロットしたグラフ。 本発明の電子機器の一例を示す図。 本発明の複屈折素子の作用を説明するための図。 本発明の複屈折素子の作用を説明するための図。

符号の説明

１０・・・アレイ基板、１６，２６・・・１／４波長板、１７，２７・・・直線偏光板、２０・・・対向基板、２８・・・複屈折素子、５０・・・液晶層、１００・・・液晶表示装置、１０００・・・電子機器

Claims (6)

1. 一対の基板間に誘電率異方性が負の液晶材料からなる液晶層を挟持してなる液晶表示装置であって、
   前記一対の基板の外面には円偏光板がそれぞれ設けられ、前記円偏光板の各々が、入射光の波長の略１／４の位相差を有する１／４波長板と直線偏光板とを有し、
   前記一対の基板のうちの少なくとも一方の基板において、前記１／４波長板と前記直線偏光板との間に複屈折素子が設けられ、
   前記複屈折素子の遅相軸と前記直線偏光板の吸収軸とが略平行であり、
   前記複屈折素子について、その平面内における互いに直交する方位角方向の屈折率をｎｘ，ｎｙとし、厚さ方向の屈折率をｎｚとした場合に、ｎｚ＝ｎｘ＞ｎｙを満足することを特徴とする、液晶表示装置。
2. 一対の基板間に誘電率異方性が負の液晶材料からなる液晶層を挟持してなる液晶表示装置であって、
   前記一対の基板の外面には円偏光板がそれぞれ設けられ、前記円偏光板の各々が、入射光の波長の略１／４の位相差を有する１／４波長板と直線偏光板とを有し、
   前記一対の基板のうちの少なくとも一方の基板において、前記１／４波長板と前記直線偏光板との間に複屈折素子が設けられ、
   前記複屈折素子の遅相軸と前記直線偏光板の透過軸とが略平行であり、
   前記複屈折素子について、その平面内における互いに直交する方位角方向の屈折率をｎｘ，ｎｙとし、厚さ方向の屈折率をｎｚとした場合に、ｎｚ＝ｎｘ＞ｎｙを満足することを特徴とする、液晶表示装置。
3. 一対の基板間に誘電率異方性が負の液晶材料からなる液晶層を挟持してなる液晶表示装置であって、
   前記一対の基板の外面には円偏光板がそれぞれ設けられ、前記円偏光板の各々が、入射光の波長の略１／４の位相差を有する１／４波長板と直線偏光板とを有し、
   前記一対の基板のうちの少なくとも一方の基板において、前記１／４波長板と前記直線偏光板との間に複屈折素子が設けられ、
   前記複屈折素子の遅相軸と前記直線偏光板の吸収軸とが略平行であり、
   前記複屈折素子について、その平面内における互いに直交する方位角方向の屈折率をｎｘ，ｎｙとし、厚さ方向の屈折率をｎｚとした場合に、ｎｚ＞ｎｘ≧ｎｙを満足することを特徴とする、液晶表示装置。
4. 前記複屈折素子について、ｎｘ＞ｎｙ、Δｎ＝ｎｚ−ｎｙとし、前記複屈折素子の厚みをｄとした場合に、８０ｎｍ≦Δｎ・ｄ≦１８０ｎｍを満足することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかの項に記載の液晶表示装置。
5. １つのドット領域内に透過表示を行う透過表示領域と反射表示を行う反射表示領域とを備えたことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかの項に記載の液晶表示装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかの項に記載の液晶表示装置を備えたことを特徴とする、電子機器。

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