JP4810663B2

JP4810663B2 - Ｏｃｂモード液晶表示装置

Info

Publication number: JP4810663B2
Application number: JP2006155504A
Authority: JP
Inventors: 龍男内田; 隆宏石鍋
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2006-06-04
Filing date: 2006-06-04
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2026-06-04
Also published as: JP2007322946A

Description

本発明は、ＯＣＢモード液晶表示装置に関し、特に、広視野角化および高コントラスト化を実現するために位相差フィルム（光学補償フィルムに同じ）および液晶セルを最適化したＯＣＢモード液晶表示装置に関する。

ＯＣＢ（Optically Compensated Bend）モード液晶表示装置（以下、ＯＣＢモードＬＣＤとも記す）は、広視野角、高速動画表示が可能であることから、次世代の液晶ディスプレイとして注目されている。ＯＣＢモードＬＣＤは、ベンド配向液晶と光学補償フィルム、偏光子から構成されている。近年、この光学補償フィルムとして、高分子化したディスコティック材料を用いることが森らにより提案され、ＯＣＢモードＬＣＤの広視野角化（ただし視野角160°）が実現できることが報告された（非特許文献１，２）。

高分子化したディスコティック材料を用いるフィルムは、学術的にはＰＤＭフィルム（Polymerized Discotic Material film）と呼ばれ、商品名としてはＯＣＢＷＶフィルム（OCB Wide View-film）と呼ばれており、このＰＤＭフィルムは、図２に示すように、二軸性基板（二軸性の光学異方性をもった基板）10上にＰＤＭ層20を有する構成となっている。ＰＤＭ層20は、二軸性基板10上に、ハイブリッド配列したディスコティック液晶材料を塗布し、高分子化させることにより形成される。
H.Mori and Philip J.Bos:Jpn.Appl.Phys.,Vol.38 pp.2838(1999) Y.Ito,R.Matsubara,R.Nakamura,M.Nagai,S.Nakamura,H.Mori and K.Mihayashi:SID Symp Digest Tech.Papers,p.986(2005)

光学補償フィルムとしてＰＤＭフィルムを用いたＯＣＢモードＬＣＤを設計するためには、ＰＤＭフィルムの構成と液晶のベンド配向の条件を上手く合わせることが必要である。ところが、この解析は非常に困難であり、従来はトライアルアンドエラーに頼ることが多かった。そのため、ＯＣＢモードでは、ＩＰＳ（in-plane-switching）モードやＶＡ（vertical alignment）モードに比べ、コントラスト比および視野角特性の点でまだ改善の余地が残されていた。

ちなみに図１は、従来のＯＣＢモードＬＣＤ（光学補償フィルムにはＰＤＭフィルムを用いている）の表示性能の１例を示す等コントラスト線図（ここで、コントラスト比は計算値）である。なお、等コントラスト線図は、視野を表す同心円座標系（同心円の中心を極角０°とし、半径方向に極角、円周方向に方位角をとった座標系）上に等コントラスト比の線を描いたものである（以下同じ）。この例では、コントラスト比に局所的不均一が発現し、高コントラスト・広視野角化（コントラスト特性および視野角特性が共に向上した状態）が実現されているとは言いがたい。

本発明は上述の問題を解決し、ＰＤＭ補償フィルム（光学補償フィルムとしてのＰＤＭフィルムの意）を用いるＯＣＢモードＬＣＤにおいて、トライアルアンドエラーによらずにＰＤＭ補償フィルムの構成および液晶のベンド配向の条件を最適化し、高コントラスト・広視野角化を実現しうるＯＣＢモード液晶表示装置を提供することを目的とする。

発明者らは、上記目的を達成するためにＯＣＢモードＬＣＤ（ＰＭＤ補償フィルム使用）の光学特性を解析し、次の条件１が満たされれば、高コントラスト・広視野角化を実現しうることを見出した。

・条件１：二軸性基板を通過後の偏光状態が、ベンド配向の配向面またはこれに垂直な面内において入射角度に依らず、入射面に対し45°または-45°の楕円長軸方位を有する楕円偏光になっている（あるいはこれに近い状態になっている）こと。

さらに、条件１に加えて、次の条件1-2、条件２、条件３のいずれか一または二以上が満たされると、満たす条件数が多いほど、コントラスト特性および／または視野角特性がより大きく向上することを見出した。

・条件１‐２：上記楕円偏光の楕円率が可及的に小さいこと。

・条件２：二軸性基板に次いでＰＤＭ層を通過した光がベンド配向液晶に入射し、ベンド配向の中間地点に来た時の偏光状態が、入射面に対し45°または-45°の直線方位を有する直線偏光になっている（あるいはこれに近い状態になっている）こと。

・条件３：液晶材料とＰＤＭ層の複屈折の波長分散が等しい（あるいはこれに近い状態になっている）こと。

本発明は、上述の新たな知見に基づいてなされたものであり、その要旨構成は以下のとおりである。

１．ＰＤＭ補償フィルムを用いるＯＣＢモード液晶表示装置であって、液晶セルの入射側と出射側とにそれぞれ液晶セル側から順にＰＤＭ層、二軸性基板、偏光子が配置され、入射側の二軸性基板を通過後の偏光状態が、ベンド配向液晶の配向面またはこれに垂直な面内において入射角度に依らず、入射面に対しほぼ45°またはほぼ−45°の楕円長軸方位を有する楕円偏光になり、入射側のＰＤＭ補償フィルムを通過後ベンド配向液晶に入射し、同液晶の中間地点に達した時の偏光状態が、入射面に対しほぼ45°またはほぼ−45°のほぼ直線偏光になることを特徴とするＯＣＢモード液晶表示装置。

ここで、“ほぼΘ（Θ＝45°または−45°）”とは、楕円長軸方位がΘ±10°の範囲内にあることを意味する。

２．前記楕円偏光の楕円率が0.5以下であることを特徴とする前項１に記載のＯＣＢモード液晶表示装置。

ここで、楕円率（楕円の短軸長さ対長軸長さの比）は、好ましくは0.25以下、より好ましくは0.1以下である。なお、楕円率が０の楕円偏光（すなわち直線偏光）が最も好ましい。

ここで、“ほぼΘ（Θ＝45°または−45°）”とは、楕円長軸方位がΘ±10°の範囲内にあることを意味する。また、“ほぼ直線偏光”とは、楕円率が０〜0.2の範囲内にある楕円偏光を意味する。

３．液晶材料とＰＤＭ層の複屈折の波長分散がほぼ等しいことを特徴とする前項１又は２に記載のＯＣＢモード液晶表示装置。

ここで、“液晶材料とＰＤＭ層の複屈折の波長分散がほぼ等しい”とは、［数１］に示す式においてε＝0.05とした式が可視光のあらゆる波長λにわたって満たされることを意味する。なお、好ましくはε＝0.025、より好ましくはε＝0.01である。

本発明によれば、従来よりも一段と優れた高コントラスト・広視野角特性を有するＯＣＢモードＬＣＤを実現することができる。

図３は、ＰＤＭ補償フィルムを用いるＯＣＢモードＬＣＤの構成を示す模式図である。ここで、光は図の下から上に通過する（ＬＣＤの下部が入射側、上部が出射側になる）ものとする。

本発明の最良の実施形態においては、ＯＣＢモードＬＣＤはベンド配向液晶５の配向中心面に関し上下対称な構造を有する。よって、ＯＣＢモードの上部と下部の間のリタデーションΓ関係および遅相軸方位関係は次式で表される。

Γ_LC1＝Γ_LC2， Φ_LC1＝−Φ_LC2
Γ_PDM1＝Γ_PDM2， Φ_PDM1＝−Φ_PDM2
Γ_Biax1＝Γ_Biax2， Φ_Biax1＝−Φ_Biax2
ここで、添え字LC1、PDM1およびBiax1はそれぞれ、液晶５の上部分、上部（出射側）のＰＭＤ層７および二軸性基板６を表し、また、添え字LC2、PDM2およびBiax2はそれぞれ、液晶５の下部分、下部（入射側）のＰＭＤ層３および二軸性基板２を表す。

この場合、広視野角内で高コントラスト比を達成するために二軸性基板とＯＣＢモード液晶セルが満たすべき最良の条件（理想的な条件）は次の（ａ）〜（ｃ）である。

（ａ）二軸性基板２を通過後の偏光状態の方位（楕円偏光の長軸方位）が、入射面に対し45°または−45°であること（二軸性基板８でも同様）。

（ｂ）ベンド配向液晶５の中心（上部と下部の境界）における偏光状態が45°または−45°の直線偏光であること。

（ｃ）液晶５の複屈折の波長分散がＰＤＭ層のそれと同じであること。

図４は、斜め観察時に高コントラスト比を得るためのＯＣＢモードＬＣＤの理想的条件に対応する偏光状態を示す図である。この図では、ポアンカレ球面上の各点が各偏光状態と一対一に対応し、Ｓ１が０である大円が45°または−45°の偏光状態に対応する。

この図に示すように、入射光の偏光状態Ｔ_inが二軸性基板２により点Ｐ_１の位置に移行し、かつベンド配向液晶５の中心における偏光状態が点Ｐ_０であるならば、液晶セル15を通過後の偏光状態は点Ｐ_２となり、この偏光は、二軸性基板８の吸収軸方位Ａ_outへと回転する。その結果、広視野角範囲内で暗状態が得られる。

前記条件（ａ）〜（ｃ）に従い、ＯＣＢモードＬＣＤを設計した。図５は、このＬＣＤについて斜め観測時における二軸性基板２による偏光状態の変換を示すものである。図示のように、二軸性基板２を通過後の偏光状態は広視野角範囲内で45°の楕円偏光になることを確認した。なお、図５は、上記楕円偏光の楕円率が0.5超である例を示している。

また、図５Ａには、上記楕円偏光の楕円率が0.5以下0.1超である例（ａ）、およびこの楕円率が0.1以下である例（ｂ）を示した。この楕円率が小さいほどコントラスト比が向上することも確認した。

図６は、前記設計してなるＯＣＢモード液晶セルについての等コントラスト線（計算値）を示すものである。図６を、従来のＩＰＳモードの等コントラスト線図（図７参照）と比べると、本発明により広視野角範囲において高コントラスト比が達成されていることがわかる。

前記理想的条件を満たすように設計し、この設計に従い通常の製造プロセス（このプロセスにおける製造誤差は、製品が本発明の規定すなわち前項１〜３に記した“ほぼ”の範囲を逸脱するほど大きなものではない）で製造したＯＣＢモード液晶セルに走査型ＬＥＤバックライトを組合わせて、15インチのＣＦＳ(Color-field sequential refreshing)‐ＬＣＤを試作した。このＬＣＤの仕様を表１に示す。なお、このＬＣＤ試作品の外観を図８に示す。

このＬＣＤは、1350：１の高コントラスト比、170°にわたる広視野角（コントラスト比＞10：１）を示し、かつ広視野角範囲内でのグレイスケール反転が生じないものであることを確認した。さらに、このＬＣＤの付加的特徴として、色ずれ（color-shift)抑制のためのオーバドライブへの適用性が挙げられる。

かくして、本発明によれば広視野角範囲内での極めて高いコントラスト比、高輝度を示し、さらには色割れ（color break-up）のない高画質動画表示特性をもつ高品質のＣＦＳ‐ＬＣＤが実現することが確認できた。

従来のＯＣＢモードＬＣＤ（光学補償フィルムにはＰＤＭフィルムを用いている）の表示性能の１例を示す等コントラスト線図である。ＰＤＭフィルムの構成を示す模式図である。ＰＤＭ補償フィルムを用いるＯＣＢモードＬＣＤの構成を示す模式図である。斜め観測時に高コントラスト比を得るためのＯＣＢモードＬＣＤの理想的条件に対応する偏光状態を示す図である。入射側の二軸性基板による偏光状態の変換（楕円偏光の楕円率が0.5超である例）を示す図である。入射側の二軸性基板による偏光状態の変換を示す図（（ａ）は楕円偏光の楕円率が0.5以下0.1超である例、（ｂ）は楕円偏光の楕円率が0.1以下である例）である。本発明のＯＣＢモードＬＣＤの表示性能の１例を示す等コントラスト線図である。従来のＩＰＳモードＬＣＤの表示性能の１例を示す等コントラスト線図である。本発明に係るカラーフィールドシーケンシャルＯＣＢモードＬＣＤ試作品の外観を示すカラー写真のモノクロ複写図である。

符号の説明

１偏光子（入射側）
２二軸性基板（入射側）
３ＰＤＭ層（入射側）
４透明基板（入射側）
５液晶（ベンド配向液晶）
６透明基板（出射側）
７ＰＤＭ層（出射側）
８二軸性基板（出射側）
９偏光子（出射側）
15 液晶セル
10 二軸性基板
20 ＰＤＭ層

Claims

ＰＤＭ補償フィルムを用いるＯＣＢモード液晶表示装置であって、液晶セルの入射側と出射側とにそれぞれ液晶セル側から順にＰＤＭ層、二軸性基板、偏光子が配置され、入射側の二軸性基板を通過後の偏光状態が、ベンド配向液晶の配向面またはこれに垂直な面内において入射角度に依らず、入射面に対しほぼ45°またはほぼ−45°の楕円長軸方位を有する楕円偏光になり、入射側のＰＤＭ補償フィルムを通過後ベンド配向液晶に入射し、同液晶の中間地点に達した時の偏光状態が、入射面に対しほぼ45°またはほぼ−45°のほぼ直線偏光になることを特徴とするＯＣＢモード液晶表示装置。
前記楕円偏光の楕円率が0.5以下であることを特徴とする請求項１に記載のＯＣＢモード液晶表示装置。
液晶材料とＰＤＭ層の複屈折の波長分散がほぼ等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載のＯＣＢモード液晶表示装置。