WO1989007282A1 - Liquid crystal display - Google Patents

Description

明 細 誉

液 晶 表 示 器

技 術 分 野

本発明は、 萵時分割駆動に適し、 衷 の見易い液品 示 に関する。

背 景 技 術

近年、 液品分子が螺旋構造をとる '界効： ¾型の液品表示 において、 コ ン ト ラス ト の高い領域 （視野範囲 ) が広く 高時分割駆動に適した液晶表示器が商品化されている。 こ のよ う な液晶表示器は、 液晶分子の捩角が 1 8 0 〜 3 (5 0 度をなすよ ,う,に配向され、 2枚の偏光子でその液晶層を挟 んだ構造をな:してお り、 'そのよ う な液晶表示器は例えば特 開昭 6 0 — 1 0 7 0 2 0号公報 （ E P 0— 0 1 3 1 2 1 (3 A 3 ) などに開示され,ている。 そ してかかる液晶表示器に おいて.は、 液晶の複屈折性のために表示色が青または黄色 に着色して見える。

これに'対,して、 例えば特開昭 5 7 — 1 2 5 9 1 9 号公報 ( ϋ S P a t . 4， 4 4 3 , 0 6 5 ) の如く、 液晶パネノレ を 2枚積層して位相補償する と、 背景色を白色に近付ける こ とができ る。

この原理を簡単に説明する。 観察された色相は液晶の祓 屈折性による干渉色であ り、 これは液晶/ で光線が^円偏 向十るから色呈が現れるのである。 従ってねじ られた光を ねじ りかえすこ とによ り無彩色にするこ とができ る という ものである。 この目的のために、 駆動用の液品パネノレと同 じ特性の液^バネルを',色消用 （補償板） と して /§する。

と ころがこのよう な液晶ノ、。ネルは、 2枚の液品セルを祯 層するこ とで衷示器全体が厚ぐなり、 視差 （観察方向） に よ る表示位置のずれやコ ン ト ラス トの変化が生じて好ま し く ない。 また、 このよう な液晶パネルは、 高.時分割駆動に 適しているので画素数が多く、 それに伴い表示面積が大き く なる。 そして干渉色は液晶層の厚みにも依存するので、 広い面積にわたって、 液晶の厚みの均一性や特性の安定性 が厳密に管理される。 これによ り表示器は製造歩留ま り 悪く なり、 また高価となる。 - 一方液晶表^器での色相を調節するという点では、 波 畏板や位相板を用いる という考えが古く から存在し、 例え ば特開昭 5 0 — 7 2 6 4 5号公報 （ U S P a t . 4， 2 3 , 9 4 8 ) 、 特開昭 5 5 — 6 0 0号公報などがある。 し か し着色と色消しは一見逆の理論と简単に考えられる力 ''、 円偏向や 波長板による色消しは事実上困雛である。 それ は波長板 ' ( '板） は光の特定波長に対し効果を持つが、 液 曰層の光透過特性はよ り複雑であるこ とによる。 また広レ- 面積にわたつて液晶層の特性が特定されていなければ表示 品位がよ り低下して し'まう など、 両者の光学特性の調整が' 困難である。 それは例,えば、 ほかの干渉色が現れたり、 表 示が暗ぐなつたり、 あるいはコ ン ト ラス トが低く なつたリ する現象と' 'なつて現れ、 これらは表示品位を低下させるの で好ま し 'く ない。

さ らに又、 液晶表示素子に用いる偏光子に一軸性延仲フ イ ノレムを用いる ものがある （例えば特開昭 6 3 — 1 9 2 0 1 号公報） 。 ςれは偏光膜にその支持フィ ルムを貼付す る と干渉色が現れやす.いので、 干渉を防止するため偏光軸 と延伸方向を一致させ'て用いる ものであって、 すでに干渉 を先じている光学体の色を消す働きはない。

発 明 の 開 示

したがって、 本発明の第 1 の目的は、 上述した ¾屈折性 を呈する液品セルに、 光軸を交差させた薄板状の位相板を 積層 した液晶表 器を提供する ものである。 この発明によ れは'、 液晶層のレターディ ショ ン ( re t a rd a t i o n :

Δ η · d ) を、 高時分割駆動に適したままで、 かつ、 色袖 償しやすいよ う に、 6 0 0〜 1 0 0 0 n mに特定し、 光学 積層体を光学的一軸性異方体と して位相補償する。 そ して その補償には位相板と して光学的一軸性の薄板を用いる。 あるいは、 上記位相板と して-一軸延伸させた樹脂シー ト を 用いる。 これによ り位相板の光軸調整を容易に行う こ と力 ^ でき るから、 取扱は容易になり生産性が向上し、 大幽面表 .示も行える。

ψ発明の.他の特徴は、 上述した液晶のレターディ シ ョ ン を基に.して位相板のレターディ シ.ヨ ンを調整する ものであ る。 これによ り彩度、 色相などの調整を しやすく し、 白 ¾ の.表示.品位を高く するこ とができ る'。 本発明のさ らに他の特徴は、 上述した位相板を分割して 液晶の前後に配置するものである。 あるいは位相板と して 固有屈折率の.こ と.なる材料によって ¾成する ものである。 さ らには:位'相板を光軸が直交する複数の積層体で構成した ものである。 これによ り、 液晶の色干渉を補償するにあた- っ ての視差による表示位置のずれやコ ン ト ラス 卜の変化を おさえるこ とができる。

ス、 これらの無彩色 示によ り、 大画面化やカラ一化も 行える。 ， ，

この発明のその他の目的と特徴は以下に図面を参照して irなう詳細な説明から一層明かとなろう。

図面の简単な説明

第 1 図は本発明実施例の液晶'表示器の断面図である。

'2 図は本発明の原理に用いるレターディ シ ョ ン相関図で ある。

第 3 図は本発明の液晶層と位相板のレターディ ショ ンの関 係を示す特性図である。

第 4 図は代表的な本発明実施例に係る液晶表示器の表示特 性図である。

第 5 図は本発明の他の実施例に係る液晶表示器の視^依存 性に関する表示特性図である。 発明を実施するための最良の形態 在卖用.化さ,れている電界効果型の液品 示器のう ち、 高いコ 卜 ラス ト を維持し、 デューディ比の大きい時分割 駆動に適した液晶表示器は、 正の誘.; 異方性を もつカイ ラ ノレネマテ ィ ツク、 晶層'（ chi ral nema t i c liquid c r i s t 1 layer ) 、 .すなわち液晶分子が 1 8 0 〜 3 0 0度の捩角の 螺旋構造を有,した液晶層を、 2枚の儡光子で挟持した構成 を と る。 ： ''.

第 1 図はかかる液晶表示器を応用 した本発明実施例の液 晶衷示器の断面図である。 （ 1 ) は、 透明 ¾極 （ 1 1 ) と 液晶分子の配向膜 （ 1 2 ) とを内面に有したガラス板 （ 1

3 ) 等からなる基板で.ある。 そのう ち、 透明 極 （ 1 1 ) は例えば ド.ッ トマ ト リ，ックス表示を行う よ う上下の基板で 交するよう に配置され、 また、 配向膜 （ 1 2 ) は液品分 子をホモジニァス配向するよう に配向処理がされている。 これらの基板 （ ]. ) はシール剤 （ 5 ) によ り平行に張り合 わされ容器を形成している。 ' （ 2 ) は基板 （ 1 ) に挟持さ れた正の誘電異方性を も つカイ ラルネマティ ッ ク相の液晶 層で、 液晶分子が基板 （ 1 ) に面に垂直な方向に 1 8 0 〜

3 0 0度の捩角の螺旋構造をなしており、 例えば ² 0度 ツイ トネマティ ッ ク層となっている。 （ 3 ) は液品 m

( 2 ) を挟持するよ う に基板 （ 1 ,) の外側に配 11された 2 枚の偏光子である。 そ して （ 4 ) は、 /享みカ ^s、 5 0 0 / m以 下で、 液晶層 （ 2 ) と偏光子 （ 3 ) の間に、 その光軸が偏 光子 （ 3 ) の偏光軸と交差するよう に揷入された樹脂製の 位相板である。

ここで、 液品層 （ 2 ) の特性についてさ らに述べる。 .J 述のよ うに液晶分子のねじり角が大き く なる と、 液品層 の複屈折異方性 Δ 11 と；享み dの積、 すなわちレターデイ シ ョ ン Δ ιι · . <!■· (, L C ) 値が表示品位に直接影響し、 例え ば高次干渉を起こすと 相板では色補償できな く なる。 具体的には、 △ η · d ( L C ) 値が 0 . 6 よ り小さ くなる と、 干渉色は淡い青色^ C補償.しやすいのだが、 液晶パネル の透過率が著しく 低下し、 表示コ ン ト ラス ト が悪く なるの で不都合である。 逆に、 Δ n ♦ d ( L C ) 力 ^f 1 . 0以上で は透過光が '黄色に着色しこれは位相板 （ 4 .) で補憤が困雛 とな り、' さ らに Δ n · d ( L C ) が大き く なる と干渉も大 き く なつて色彩制御できない。 徙つて、 A n ' d ( L C ) は 0 . 5 以上 1 . 2未満、 よ り好ま し く は 0 . 6 よ り大 き く 1 . 0 よ り小さい範囲が好ま しい。

一方上述した位相板: （ 4 ) は、 ポリ ビュルプチロール、 ポ リ ビニルァノレコ ール、 ' ポ リ エステル、 酢酸セルロース、 酪酸セルロース、 ポリ.プロ ピレン、 ポリ カーボネー トなど の高分子樹脂を一軸延伸してシー ト状と して用いるこ とが ί 来

'そ して液晶層 （ 2 ) は電界の有無によって光学特性が変 化し表示を行う のであるが、 積層された光学素子が厚けれ ば厚いだけ視差による表示位置のずれゃコ ン ト ラス トの変 ィ匕が生じる。 従来の 2 枚の液晶バネルの核屑 と異な り、 位 相板は光学的一軸性を もっているので、 この現象はあま り 顕著でない。 しかし、 それでも位相板 （ 4 ) が厚く なる と この傾^は認められる。 このよ う な現象の影響を少な く す るためには、 液晶層 （ 2 ) の厚みを 1 0 〃 m以下と し、 Δ n · d ( L C ) の値を上述の 0. (3 〜 1 . 0 と設定し、 位 相板 （ 4 ) の全体の厚みを 0. 5 mm以下、 よ り好ま し く は 2 5 〜 1 6 0 / mとすればよい。

これらの液晶層と位相板と を組み合わせた場合の光学特 性について、 よ り詳細に説明する。

液晶層 · (, 2- ) ,は基本的には従来の複屈折性を利用 した液 晶分子の捩声 3:の大きな表示モー ド （以下 S Tモー ド

( super twisted mode)と呼ぶ） と同 じ条 ί牛 ^:を具^してい るべきである。 しかし'、 よ り.詳細に検討する と、 液品分子 ' の複屈折性に基ず く 光学特性と、 螺旋構造によ る旋光性と によ り複雑な,光学特性を示しているこ とが分かつた。

そこで:、 '液晶層の干渉色を補償するために、 液晶層を光 学的一軸性異方体に近似するこ と と した。

これを第 2 図を用いて説明する。 一般に一軸性異方体 （ uniaxial substance ) を直交ニコノレ （orthogonal i c o 1 ) で挟持した時に最大コ ン ト ラス ト を得るには、 よ く 知られ たよ う に、 .偏光板の偏光軸 （ P ) と光学的一軸性與方体の 光軸 （ S ) を 4 5度ずら した状態となる。

しかし、 液晶層の場合には、 液晶分子が螺旋構造 （ねじ れ角 をとつているので旋光性が生じ、 光軸がねじれに 沿つ て回転するため上述の通り にならない。

そこで S Tモー ドの液晶表示器について、 一方の偏光子の 偏光軸と近接する液晶分子の配向方向とのなす角 ^を 4 δ 度に設定し、 も う一方の偏光子を回転させて、 透過光の分 光スペク トルを調べた。 それによる と可視光領域において 上式に対応する透過光強度特性を示す角度が 2つあるこ と が分かった。 そ してこの時、 回転させた偏光子の偏光軸 ( Ρ ) とそれに近接する液晶分子軸 （ L ) とのなす^ ひ力' 液晶分子軸を基点と して液晶分子のねじれと同 じ方向に、 ほぼ 4 5度と 1 3 5度となった。

この状態をも とに、 液晶の積層体を偏光顕微鏡で光学的一 軸性異方体と等価になるよう に調べたのが第 2図である。 これが螺 構造による旋光性のみを補償した光学特性であ り、 'これに基.ずいて、 液晶層と位相板の積層体が光学的 - 軸性異方体となるよ う に位相板の光学特性を調整する。 即 ち第 2 図において、 a列または b列に対して位相補償する こ とで色彩を無彩色に.することができ、 その場合、 a列と b 列の高さの差がコ ン ト ラス ト となつて現れる。

係る原.理に基ずいて導いた実験式によると、 液晶分子が 1 8 0 - 3 0 0度の捩角の液晶表示器において、 液晶層の レターデイ シ ヨ ン A n ' d ( L C ) と位相板のレタ一ディ シ ヨ ン Δ n · d ( P H ) 力

ϋ.6X厶 ιι · d ( L'C )+ 60く△ n · d ( P H ) <·0.6 X Δ n · ci ( L C ) + 210 (nm) の関 .係 （ A ) .を満たす .'と き、 第 2 図 aの袖俊ができ、 その 木モ一 ドは透過型ネガ表示である。

こ の様な宾施例において、 位相板の光籼方向と近接する 液晶分子の配向方向とのなす角 ^が 7 0度以上 1 1 0度以 rであ り、 また偏光子の偏光軸と近接する液晶分子の配向 方向とがなす角 /?は 3 0度以上（3 0度以下の場合に高いコ ン ト ラス ト を示した。

また同様に第 図 b について補償する実験式は

(7.5X 1(广⁴ ) (厶 n · d ( LC )— 400 ) ² + 15ϋく Δ η · d (ΡΙΙ) く（7.5 X lCTつ（ Δ η - d (LC)一 400) ² + 300 nm の関係式 （ B ) で すこ とができ る。 これは関係式 ( A ) に対して、 液晶セルの光路差よ り も可視光領域のほぼ 波 長だけ光路差の少ない位相板を いるこ とを意味し、 反射 型のポジ表示がベースとなる。

また、 関係式 （ A ) ， ( B ) のいずれにおいても、 一方 の偏光子.を.9 0度回転させればネガとボジの反転表示とな る。'即ち、 上述した種々の角度は、 偏光子の偏光軸または 吸収軸のいずれを基準と しても よい。

そ して液晶のレターディ シ ョ ン Δ n · d ( L C ) の調整 ムラや温度依存性をを.吸収するには、 ^は 9 0度よ り いず れかの方向にずらすど良い。 即ち、 0 は 7 0 〜 8 8度また は 2 〜, 1' 1 0度力 ^s、もっ と も好ま しい。

の様な条件に従つた代表的な実施例を示す。 6S O/AV68/x:>d

¾ ( V )！ Q o

H

-

2 1 1 7 2 4 2 8 ン

ラ

これらのレターディ ショ ンの関係を第 3図に示す e 図に於 て、 左上り科線を施し、 A， Bの記号を付した部分が各々 の関係式の領域である。 またこのロ ッ トの代表的な表示器 について、 1 /200デューティ マルチプレツ クス駆動の と き の特性図を第 4 図に示す。

上述の液品表示器の説明は、 位相板を 1 枚のみ用いた例 であ り、 また表示面を'正面から観察した場合の事である。 しか し、 表 / 面積が大'ぎく なる と斜め方向から観察するこ と も多 く なる。 そこで,いわゆる視 '声:!依存性を少な くする必 要がある。

上述した樹脂製の位相板は、 '模式的には多数の高分子の鎖 がー方向に整列したものと考えられる。 従って正面から表

^: 観察する と き と、 側面から斜め方向に表示器を観察する 時で、 液晶層に投影される単位高分子の長さが異なる。 こ れは、 位相板の色補償ムラとなって現れる。 これに対して は、 位相板 （ 4 ) を複数のシー トの積層体で構成するこ と は有効である力 取扱にく く なる。 例えば、 稹層の度に光 軸を少しずつずらせば従来の 2枚の液晶積層体による袖償 と同等の原理にするこ と もでき る力 ツイス トネマテ イ ツ ク とは異なり、 光軸がステップ状に変化するので表示が暗 く 、 またコ ン ト ラス ト も下がる。 そこで位相板を複数に分割して、 液晶層の前後に分けて配 Sすれば、 観察方向の変化による着色をよ り減少でき る。 この場合は上述した位相板の単位高分子の投影方向が ίΥ 品 層の,上下で異なるこ とになるので投影畏さの仲縮の影響は 半減する。 ， .

また固有複屈折率のこ と'なる樹脂材钭を混合して位相板を 成形し > または固有複屈折率のこ となる位相板を積層 して 一体化した位相板を用いても よい。 例えばボリカーボネー ト と ボリ.スチレ.ンの組み合わせが有効である。 しかし配合 を誤る と樹.脂の複屈折性が失われるので延伸率とのかねあ いで配合率を調蹩する必要がある。

さ らに光軸が直交する樹脂膜を積層し一体化したものを用 いるこ と もできる。 例えば上述の具体例で説明した位相板 は基板の面に平行な方向に光軸を有しているが、 これに対 して基板面に垂直な方向に光軸を持つ樹脂を積層する。 こ の方法では '、. 位相板の.'単位高分子の投影長さの仲縮は ¾a m 方向によ り互いに相殺され、 視角依存性を減少でき る。

これらのう ち、 厚さ 7 0 μ mの位相板に対して基板面に 垂直な方向に光軸を持つ厚さ. 1 1 0 μ mの樹脂を積層 した 場.合の視角依存性に関する特性 （積層体 k ) を位相板単体 の場合 （ j ) と比較しながら第 5図に示す。 図では横軸に 表示面の垂線に対する角度を示しており、 位相板の延伸方 向に傾斜した場合 （位相板単体〗 II 、 積層体 k II ) と、 位 相板の延伸方向に垂直な方向に傾斜した場合 （位相板単体 j 上、 積層体 k丄） の各々について例示してある。 このよ う に複数層を用いる場合においても、 全 ί本の厚-み を 5 0 0 以下と しなければ表示品質を低下させる事に なる。

以上の如く によ り、 液晶パネルによ り複屈折旋光された 光線を光学的一軸性異方体と して補償するこ とによって、 着色されない光線 （これによ り地の色を白色にでき る） と 遮光された黒色で表承を行う こ とができ る。 これによ リ、 白紙に黒色印刷されたよ う な表示品位の髙ぃ表示ができ、 コ ン ド,ラス も高い。 この表示は白黒反転でき るのでネガ 表示もポジ表示もでき る。 また表示が無彩色なので、 3色 のフ イノレターを用い、 'カラ一表示を行う こ とができ る。

そ して液晶パネルは一枚しか用いないし、 位相板は成形 によ つて.製造'でき るので生産性がよ く廉価となり、 表示面 積 ¾大き く構成でき'る。 さ らに、 液晶表示器全体を薄く構 成できるので、 視差による表示位置のずれやコ ン ト ラス ト の変化が生じない。

産業 ±の利用可能性

本発明による液晶表示器は、 厚みが薄く 、 白黒の表^が 行え、 高時分割駆動に'適しているので、 ドッ トマ ト リ クス の大画面表示器や、 ワー ドプロセサ、 パーソナルコ ンビュ ータなどの表示器と して利用でき る。 又、 それらの表 器 において、 カラーディ スプレイ と しても利用でき る。

Claims

請求の範囲

1 ) 基板にホモジニァス配向され、 厚みが 1 0 πι以下 で複屈折性を呈するカイ ラルネマティ ック液晶層と、 その '液晶層を挟むよ う にして配置された偏光子と、 液晶層 .と偏 光子の間に挿入された位相板とを具備し、

' 液品.層の複屈折異方性 Δ n と厚み dの積 Δ n * d ( L C ) if 6 0 0 く Δ n · d ( L C ) < 1' 0 0 0 ( n m ) . であって、 位相板の厚みが 5 0 0 μ πι以下であ りその光軸

'：は'近接する懾光子の僵光軸または吸収軸と交差 （ r ^ 0 ) しているこ とを特徴どする液晶表示器。

2 前記液晶層は、 正の誘電異方性を有し、 液晶分子が 1 8 0 - 3 0 0度の捩角の螺旋構造をするよ う にホモジニ ァス配向されて基板の間に挟持されたカイラルネマティ ッ ク液品層で、 前記 Δ η · d ( L C ) と、 位相板の複屈折異 方性 Δ II と厚み dの積 Δ n · d ( P H ) が

リ.6△ n · d (LC)+ 60< Δ n · d (PH)

< 0.6Δ n · d (LC)+ 210 (nm) または

(7.5Χ10~⁴)(Δ IT - d (LC)- 400) ² + 150く△ n · d (PH)

< (7.5X10-⁴ ) (Δ n · d (LC) - 400 ) ² + 300 (nm) の関係を満たす事を特徴とする特許請求の範囲 1項記載の 液晶表示器。

3 ) 前記位相板は光学的一軸性を有し、 その光軸方向と 近接する液晶分子の配向方向とのなす角 ^力 ^f、 7 0度以上 1 】 0度以下で、 前記偏光子の偏光軸または吸収軸と近接 する液晶分子の配向方向とがなす角 βは 3 0度以上 6 0度 以下である寧を特徴とする特許請求の範囲 2項記載の液晶 表示器。

4 ) 前記位相板は一軸延伸された一枚の樹脂製シー トで あ り、 その延仲方向は、 近接する偏光子の偏光軸または吸 収籼となす角 rが 2 0度以上 6 0度以下である事を特徴と する特許請求の範囲 2項記載の液晶表示器。. '， ；

5 ) 前記位相板の光軸方向または延伸方向と近接する液 品分子の配向方向とのなす角 ^力 9 0度よ りずれている ' 事を特徴とする特許請求の範囲 3項または 4項記載の液晶

- Τί ¾ff o

/ β ) 前記位相板は、 .前記液晶層の前後に分割して設けら れているこ とを特徴とする特許請求の範囲 1 '項記載の液晶 小 ο

7 ) 前記位相板は固有複屈折率のこ となる材料からなる または光軸が直交する複数層の積層体からなるこ とを特徴 とする特許請求の範囲 1項記載の液晶表示器。