(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の基板間に液晶を封入し、該液晶が電圧無印加時にツイスト配列し且つ電圧印加時に該液晶中に発生する横電界の方向に沿って水平配列する液晶セルと、前記液晶セルに重ねて配置されると共に光学補償素子を有する光学補償層と、液晶セルの外側に配置された第一偏光板と、光学補償層の外側に配置された第二偏光板とを備え、前記液晶セルの基板の法線方向から観察した場合、電圧印加時に発生する横電界の方向は第一偏光板に最も近い液晶セル内の液晶分子の軸方向と第二基板に最も近い液晶セル内の液晶分子の軸方向との中間的な方向に設定され、第一偏光板の透過軸は電圧無印加時の第一偏光板に最も近い液晶セル内の液晶分子の軸方向に略平行又は略直交する方向に設定され、第二偏光板の透過軸は電圧無印加時の第二偏光板に最も近い光学補償層内の光学補償素子の軸方向に略平行又は略直交する方向に設定されていることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
前記光学補償層内では光学補償素子がツイスト配列すると共に、前記光学補償素子のツイスト方向が前記液晶セル内の液晶分子のツイスト方向と逆方向に設定されていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
【請求項３】
前記液晶セルの液晶分子のツイスト角と前記光学補償層の光学補償素子のツイスト角が略等しいことを特徴とする請求項１乃至請求項２記載の液晶表示装置。
【請求項４】
前記光学補償層に最も近い液晶セル内の液晶分子の軸方向と、前記液晶に最も近い前記光学補償層内の光学補償素子の軸方向が互いに直交関係にあることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の液晶表示装置。
【請求項５】
液晶は正の誘電率異方性を有すると共にカイラル材が添加されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の液晶表示装置。
【請求項６】
表示モードがノーマリブラックであることを特徴とする請求項１乃至請求項５記載の液晶表示装置。
【請求項７】
前記液晶セルの一方の基板上に画素電極と共通電極が配置され、電圧印加時に前記画素電極と前記共通電極との間に横電界が発生することを特徴とする請求項１乃至請求項６記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は広視野角で高コントラストを実現した液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置ではＴＮ方式が実用化されているが、ＴＮ方式は視野角が狭いという問題があった。そこでＩＰＳ方式やＶＡ方式などの視角特性の優れた方式が提案されている。ＩＰＳ方式の一般的な形態は、一対の基板で液晶を挟持し、一方の基板に画素電極と共通電極を配置している。画素電極と共通電極はそれぞれ櫛歯状の形状をしており、画素電極の櫛歯部分と共通電極の櫛歯部分が画素内でほぼ平行に配置されている。両基板には横電界方向の略直交方向に水平配向した配向膜が積層され、電圧無印加時は配向膜の配向方向に沿って液晶分子が水平配列する。そして電圧印加時は、画素電極と共通電極の間に発生する横電界に沿って液晶分子が回転し、この配列状態の変化によって透過率を制御している。
【０００３】
ところがＩＰＳ方式には応答速度が遅いという問題があり、これを改善するために様々な改良が試みられている。その一例として特開平１０−７３８２３号公報に開示されたＩＰＳ型液晶表示装置があり、その形態を図面に基づいて説明する。なお、ここでは光学補償層を備えたノーマリブラックモードの場合を説明する。
【０００４】
図７は電圧無印加時の液晶分子の配列状態を示す模式図であり、図８は電圧印加時の液晶分子の配列状態を示す模式図である。１００は液晶セル、１０１は光学補償層、１０２は入射光側の第二偏光板１０３は観察者側の第二偏光板である。液晶セル１００は一対の基板間に正の誘電率異方性を有するネマティック液晶１０４が挟持され、この液晶１０４にはカイラル材が添加されている。下側の基板には図示しない櫛歯状の画素電極と共通電極が形成され、両電極の櫛歯状部分が各画素内で平行に配置されている。上側基板及び下側基板には水平配向処理が施された配向膜が積層され、基板界面の液晶分子１０４はこの配向方向に沿って水平配列する。図９（ａ）は基板の法線方向から観察した際の配向方向と電界方向の関係を示す。一点鎖線１０は電圧印加時の電界方向、実線１０は下側基板の配向膜の配向方向、実線２０は上側基板の配向膜の配向方向、点線１０は第一偏光板１０２の透過軸、点線２０は第二偏光板１０３の透過軸をそれぞれ示す。ここで電界方向（一点鎖線１０）を０度に設定し、反時計回りを正方向、時計回りを負方向に規定したとき、下側基板の配向方向（実線１０）は−４５度、上側基板の配向方向（実線２０）は４５度に設定される。電圧無印加時には液晶分子１０４が配向膜に影響されて配列するため、下側基板界面の液晶分子１０４の長軸方向は実線１０に、上側基板界面の液晶分子１０４の長軸方向は実線２０に向いて水平配列し、液晶セル１００内では下側基板から上側基板に対して反時計回りに９０度捩れながら水平配列している。第一偏光板１０２の透過軸（点線１０）は電界方向（一点鎖線１０）と同一方向に設定され、第二偏光板１０３の透過軸（点線２０）は第一偏光板１０２の透過軸（点線１０）の直交方向に設定される。従って各透過軸は基板界面の液晶分子１０４と４５度ずれて配置されている。
【０００５】
光学補償層１０１は一対の基板に補償用液晶が挟持され、両基板にはそれぞれ水平配向処理が施された配向膜が積層されている。この配向膜の配向方向と電界印加時の電界方向の関係を図９（ｂ）に示す。実線３０は下側基板の配向方向、実線４０は上側基板の配向方向をそれぞれ示し、下側基板の配向方向（実線３０）は１３５度、上側基板の配向方向（実線４０）は４５度に設定されている。下側基板界面の液晶分子１０５はその長軸が下側基板の配向方向（実線３０）に向いて水平配列し、上側基板界面の液晶分子１０５はその長軸が上側基板の配向方向（実線４０）に向いて水平配列し、光学補償層１０１内では液晶分子１０５が下側基板から上側基板に対して時計回りに９０度捩れながら水平配列している。従って各第一偏光板１０２、１０３の透過軸（点線１０、２０）は基板界面の液晶分子１０５と４５度ずれて配置される。
【０００６】
ノーマリブラックモードの場合、液晶セル１００のレタデーションを光学補償層１０１のレタデーションによって完全に相殺するように設定する。図７及び図８の右側には対応する位置における基板の法線方向から観察した際の透過光の振幅方向を示す。第一偏光板１０２を通過した透過光は０度方向に振幅する直線偏光であるが、液晶１０４により複屈折されて液晶セル１００を通過した時点では楕円偏光になる。この透過光は補償用液晶１０５によって複屈折されるが、光学補償層１０１のレタデーションは液晶セル１００のレタデーションを相殺するように設定されているため、光学補償層１０１を通過した透過光は再び０度方向に振幅する直線偏光になり、第二偏光板１０３で遮光される。
【０００７】
電圧印加時は図８に示すように液晶セル１００の液晶分子１０４が電界方向（一点鎖線１０）に回転して水平配列する。このとき光学補償層１０１の補償用液晶１０５の配列状態は変わらない。ここで第一偏光板１０２を通過した直線偏光の透過光は、液晶分子１０４の長軸方向と第一偏光板１０２の透過軸方向（点線１０）が同一方向になるため、０度方向に振幅する直線偏光のまま液晶セル１００を通過する。そしてこの透過光は光学補償層１０１の補償用液晶１０５によって複屈折されて光学補償層１０１を通過したときには楕円偏光になり、第二偏光板１０３の透過軸を通過する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の液晶表示装置の場合、黒表示の際に基板界面の液晶分子の軸方向と偏光板の透過軸方向が４５度ずれているため黒表示時の光漏れが生じやすく、良好な黒表示が得られ難かった。そこで特に基板界面の液晶分子の軸方向と偏光板の透過軸方向との関係について着目して研究を行った結果、良好な黒表示が得られる液晶表示装置を発明するに至った。
【０００９】
つまり本発明は、良好な黒表示が行え高コントラストな液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、一対の基板間に液晶を封入し、該液晶が電圧無印加時にツイスト配列し且つ電圧印加時に該液晶中に発生する横電界の方向に沿って水平配列する液晶セルと、前記液晶セルに重ねて配置されると共に光学補償素子を有する光学補償層と、液晶セルの外側に配置された第一偏光板と、光学補償層の外側に配置された第二偏光板とを備え、前記液晶セルの基板の法線方向から観察した場合、電圧印加時に発生する横電界の方向は第一偏光板に最も近い液晶セル内の液晶分子の軸方向と第二基板に最も近い液晶セル内の液晶分子の軸方向との中間的な方向に設定され、第一偏光板の透過軸は電圧無印加時の第一偏光板に最も近い液晶セル内の液晶分子の軸方向に略平行又は略直交する方向に設定され、第二偏光板の透過軸は電圧無印加時の第二偏光板に最も近い光学補償層内の光学補償素子の軸方向に略平行又は略直交する方向に設定されていることを特徴とする。従って応答時間の短く、且つ良好な黒表示が得られる液晶表示装置が実現できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。図１は液晶表示装置の概略断面を示し、図２は液晶表示装置の第一基板側の概略平面図を示す。この実施形態では第一偏光板１０、液晶セル２０、光学補償層３０、第二偏光板４０を順次重ねている。
【００１２】
液晶セル２０では一対の基板１、９間に液晶１３が挟持されている。１はガラス基板などの透明な第一基板であり、複数の走査線２と複数の信号線３がマトリクス状に配置されている。走査線２と信号線３の交差部にはスイッチング素子であるＴＦＴ４（薄膜トランジスタ）が配置され、走査線２と信号線３で囲まれる１画素内には櫛歯状の画素電極５が配置されている。ＴＦＴ４は、ゲート電極が走査線２に、ソース電極が信号線３に、ドレイン電極が画素電極５にそれぞれ接続されている。６は複数の画素にまたがって形成された櫛歯状の共通電極であり、保護膜７上に形成されて信号線３とその交差部分で絶縁されている。各画素内では画素電極５と共通電極６の櫛歯部分が平行に配置され、画素電極５に電圧が印加されたときに画素電極５と共通電極６の間で横電界が発生する。この実施形態では、1画素内に配置される櫛歯電極の個数が画素電極５で２つ、共通電極６で３つになっているが、本発明はこの個数に限定されるものではない。８は第一基板１上に積層された配向膜であり、後述する方向に水平配向処理が施されている。
【００１３】
９は第一基板１に対向配置された透明な第二基板であり、信号線２や走査線３と対向する位置に格子状の遮光膜１４が形成されている。１１は各画素に応じて配置されたカラーフィルタであり、画素毎にＲ、Ｇ、Ｂのいずれかの着色層がストライプ状に配置されている。１２はカラーフィルタ１１上に積層された配向膜であり、後述する方向に水平配向処理が施されている。
【００１４】
１３は正の誘電率異方性を有するネマティック液晶であり、カイラル材が添加されている。従って電圧無印加時には基板１、９界面の液晶分子１３は配向膜８、１２の配向方向に水平配列し、基板１、９間では捩れながら水平配列する。この実施形態では液晶分子１３の捩れ方向は、基板１、９の法線方向から観察した際に第一基板１から第二基板９の方向に対して反時計回りに回転する。
【００１５】
光学補償層３０は一対の基板１５、１９間に光学補償素子である補償用液晶１７が挟持されている。１５及び１９は透明な基板であり、それぞれ後述する方向に水平配向処理が施された配向膜１６、１８が積層されている。この基板１５、１９に挟持された補償用液晶１７にはカイラル材が添加され、基板１５、１９界面の補償用液晶分子１７は配向膜１６、１８の配向方向に沿って水平配列し、基板１５、１９間の補償用液晶分子１７は捩れながら水平配列する。この捩れ方向は液晶セル２０の液晶１３と逆方向になり、基板１５、１９の法線方向から観察した際に基板１５から基板１９の方向に対して時計回りに回転する。
【００１６】
液晶セル２０の第一基板１の外側には第一偏光板１０、光学補償層３０の基板１９の外側には第二偏光板４０がそれぞれ配置される。図３に各偏光板１０、４０の透過軸と液晶セル２０及び光学補償層３０の配向方向との配置関係を示す。図３は基板１９の法線方向から観測した際の透過軸方向や配向方向であり、図３（ａ）は液晶セル２０の配向方向と透過軸の関係を、図３（ｂ）は光学補償層３０の配向方向と透過軸の関係を示す。実線１は第一基板１の配向膜８の配向方向、実線２は第二基板９の配向膜１２の配向方向、点線１は第一偏光板１０の透過軸方向、点線２は第二基板９の透過軸方向、一点鎖線１は電圧印加時に生じる横電界の方向を示す。また実線３は基板１５の配向膜１６の配向方向、実線４は基板１９の配向膜１８の配向方向を示す。なお、図３では電圧印加時の電界方向（一点鎖線１）を０度方向に設定し、反時計回りを正方向、時計回りを負方向とする。
【００１７】
液晶セル２０では第一基板１の配向方向（実線１）は−４５度に、第二基板９の配向方向（実線２）は４５度に設定される。電圧無印加時は基板１、９界面の液晶分子１３が配向膜８、１２の配向方向に影響されて配列するため、第一基板１界面の液晶分子１３は長軸方向が実線１と同一方向になり、第二基板９界面の液晶分子１３は長軸方向が実線２と同一方向になり、基板１、９間の液晶分子１３は第一基板１から第二基板９に対して長軸方向が実線１から実線２へ反時計回りに９０度捩れながら水平配列する。そして電圧印加時は０度方向に電界が発生し、各液晶分子１３が０度方向に回転する。このとき基板１、９界面の液晶分子１３の捩れ方向（４５度、−４５度）に対して電界方向を中間的な方向（０度）に設定しているので、基板１、９界面の液晶分子１７はそれぞれ４５度捩れるだけでよく、応答時間が短くなる。第一偏光板１０の透過軸（点線１）は第一基板１の配向方向（実線１）と同一方向に設定され、両偏光板１０、４０の透過軸は直交している。
【００１８】
光学補償層３０では基板１５の配向方向（実線３）は１３５度に、基板１９の配向方向（実線４）は４５度に設定される。そして基板１５、１９界面の補償用液晶分子１７が配向膜１６、１８の配向方向に水平配列するため、基板１５界面の補償用液晶分子１７は長軸方向が実線３と同一方向になり、基板１９界面の補償用液晶分子１７は長軸方向が実線４と同一方向になり、基板１５、１９間の液晶分子１７は基板１５から基板１９に対して長軸方向が実線３から実線４へ時計回りに９０度捩れながら水平配列する。光学補償層３０の補償用液晶分子１７が液晶セル２０の液晶分子１３の捩れ方向とは逆方向に同一角度捩れることで、液晶セル２０で旋光された透過光の偏光状態を光学補償層３０によって液晶セル２０を通過する前の状態に戻すことになる。第二偏光板４０の透過軸（点線２）は基板１９の配向方向（実線４）と同一方向に設定される。この実施形態では液晶分子１３と補償用液晶１７がそれぞれ９０度捩れ、両偏光板１０、４０の透過軸が直交するため、実線１と実線３が第一偏光板１０の透過軸（点線１）と同一方向になり、実線２と実線４が第二偏光板４０の透過軸（点線２）と同一方向になる。しかし本発明はそれぞれの偏光板１０、４０の透過軸を対向する基板１、１９界面の液晶分子の軸方向と平行又は直交方向に設定するものであり、従って少なくとも第一偏光板１０の透過軸は液晶セル２０の第一基板１の配向方向と平行方向若しくは直交方向に設定され、第二偏光板４０の透過軸は光学補償層３０の基板１９の配向方向と平行方向若しくは直交方向に設定される。
【００１９】
図３では実線１と実線３、実線２と実線４がそれぞれ同一方向になるが、矢印の向きは互いに逆になっている。これは基板１、９、１５、１９界面の液晶分子１３、１７はチルト角を有して水平配列し、この矢印の向きはチルト角によって生じる液晶分子１３、１７の傾斜方向を示す。従って実線１に向いた液晶分子１３と実線３に向いた補償用液晶分子１７、実線２に向いた液晶分子１３と実線４に向いた補償用液晶分子１９はそれぞれ傾斜方向が互いに逆なる。
【００２０】
この液晶表示装置の動作を図４、図５に基づいて説明する。図４は電圧無印加時の液晶分子１３などの配列状態を示す模式図、図５は電圧印加時の液晶分子１３などの配列状態を示す模式図である。なお、図４、図５ではそれぞれ右側に対応する位置における基板の法線方向から観察した際の透過光の振幅方向を示している。
【００２１】
まず図４に基づいて電圧無印加時の動作を説明する。第一偏光板１０を通過した透過光は−４５度の方向に振幅する直線偏光になる。液晶セル２０では、第一基板１界面の液晶分子１３の長軸方向（図３の実線１）が第一偏光板１０の透過軸（図３の点線１）と一致し、液晶セル２０内で液晶分子１３が反時計回りに９０度捩れるため、液晶セル２０を通過した透過光は液晶分子１３によって旋光されて４５度方向に振幅する直線偏光になる。液晶セル２０の第二基板９界面の液晶分子１３と光学補償層３０の基板１５界面の補償用液晶分子１７は互いの長軸方向（実線２と実線３）が直交するため、透過光の振幅方向は基板１５界面の補償用液晶分子１７の短軸方向と一致する。そして補償用液晶分子１７は光学補償層３０内で液晶セル２０の液晶１３と逆方向に９０度捩れるため、光学補償層３０を通過する透過光は液晶セル２０の場合とは逆方向に旋光され、第一偏光板１０を通過した透過光と同一方向に振幅する直線偏光になる。従って光学補償層３０を通過した透過光の振幅方向と第二偏光板４０の透過軸は直交するため、透過光は第二偏光板４０に遮光されて黒表示になる。
【００２２】
次に図５に基づいて電圧印加時の動作を説明する。画素電極５に電圧を印加すると画素電極５と共通電極６の間に横電界が生じ、液晶セル２０の液晶分子１３は長軸が電界方向と一致するように回転して配列状態が変化する。図３に示すように電界（一点鎖線１）は０度方向に発生するため、実線１に沿った液晶分子１３は反時計回りに４５度回転し、実線２に沿った液晶分子１３は時計回りに４５度回転して、液晶セル内２０の液晶分子１３は長軸方向が０度方向になるように水平配列する。このとき基板１、９界面の液晶分子１３はそれぞれ４５度捩れるだけで、基板１、９間で９０度捩れた液晶分子１３が同一方向に向くことになり、応答時間が短くなる。電圧印加時も光学補償層３０の補償用液晶１７はその配列状態が変化しない。第一偏光板１０を通過した透過光は−４５度方向に振幅する直線偏光であるが、液晶セル２０を通過するときに液晶分子１３によって複屈折されて楕円偏光になる。さらに透過光は光学補償層３０を通過するときに補償用液晶分子１７によって複屈折され、第二偏光板４０に到達するときには第一偏光板１０を通過した元の透過光と同一方向に振幅する直線偏光ではなく、楕円偏光又は元の透過光と異なる方向に振幅する直線偏光の状態になる。従って透過光が第二偏光板４０を通過して白表示になる。
【００２３】
本発明の液晶表示装置は従来例の液晶表示装置よりも黒表示時の光漏れが少なく、良好な黒表示を得ることができる。これより図６に基づいてその原理を説明する。本発明は偏光板１０、４０の透過軸と偏光板１０、４０と対向する基板１、１９の界面に位置する液晶分子１３、１７の軸方向に着目して研究を行った。旋光分散の影響を無視した場合、液晶セル２０、１００内では液晶分子１３、１０４が９０度捩れているが、これを第一偏光板１０、１０２と対向する第一基板１の界面に位置する液晶分子１３、１０４を基準にして９０度の捩れを解いたものを模式的に液晶セルとして置換できる。光学補償層３０、１０１も同様に考えて、光学補償層３０、１０１内で補償用液晶分子１７、１０５が９０度捩れているが、これを第二偏光板４０、１０３と対向する基板１９の界面に位置する補償用液晶分子１７、１０５を基準にして９０度の捩れを解いたものを模式的に光学補償層とする。このときの液晶分子１３、１７、１０４、１０５の長軸方向と偏光板１０、４０、１０２、１０３の透過軸の配置関係について、本発明の場合を図６（ａ）に、従来例の場合を図６（ｂ）に示している。本発明では液晶分子１３、１７の長軸方向と偏光板１０、４０の透過軸がそれぞれ一致するが、従来例では液晶分子１０４、１０５の長軸方向と第一偏光板１０２、１０３の透過軸が４５度ずれてしまう。従って本発明では複屈折性による光漏れは発生しないが、従来例では液晶セル１００と光学補償層１０１のレタデーションにバラツキが生じた場合に複屈折性による光漏れが発生する。製造上のバラツキなどにより液晶セル１００のレタデーションを完全に相殺するレタデーションを有する光学補償層１０１を設けることは困難であり、従来例ではこのレタデーションのバラツキに起因する光漏れを防ぐことが難しい。しかし本発明の場合は複屈折性による光漏れが発生しないので従来例よりも良好な黒表示を得ることができ、高コントラストな液晶表示装置を得ることができる。この説明では旋光分散の影響を無視したが、旋光分散の影響を考慮した場合は本発明の形態にも従来例にも旋光分散による光漏れが発生する。従って黒表示時の光漏れに本発明の場合は旋光分散が影響し、従来例では旋光分散と複屈折性が影響することになり、本発明の方が良好な黒表示が得られる。
【００２４】
なお、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば上記実施形態以外の形態も可能である。例えば、共通電極を第二基板側に設け、画素電極と共通電極との間で斜め電界を発生させるようにしてもよい。また、この実施形態では光学補償層内の液晶分子の配列を基板に積層した配向膜の配向方向で規制したが、配向膜以外の構成によって配列方向を規制してもよい。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、液晶セルの基板の法線方向から観察した場合、横電界方向は液晶セル内の両基板界面に位置する液晶分子の軸方向の中間的な方向に設定され、第一偏光板の透過軸は電圧無印加時の第一偏光板側に位置する液晶分子の軸方向に略平行又は略直交する方向に設定され、第二偏光板の透過軸は電圧無印加時の第二偏光板側に位置する光学補償素子の軸方向に略平行又は略直交する方向に設定されているため、応答時間が短く、広視野角な液晶表示装置になる。また、光漏れの少ない良好な黒表示を得ることができ、高コントラストを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である液晶表示装置の電圧無印加時の断面概略図である。
【図２】本発明の実施形態である液晶表示装置の第一基板側の平面概略図である。
【図３】本発明の実施形態における液晶セル及び光学補償層の基板の配向方向と偏光板の透過軸の配置関係を示す図である。
【図４】本発明の実施形態における電圧無印加時の液晶セル及び光学補償層の動作を説明する図である。
【図５】本発明の実施形態における電圧印加時の液晶セル及び光学補償層の動作を説明する図である。
【図６】電圧無印加時の偏光板の透過軸と液晶分子の配列状態に関する本発明の実施形態と従来例の比較図である。
【図７】従来の液晶表示装置における電圧無印加時の液晶セル及び光学補償層の動作を説明する図である。
【図８】従来の液晶表示装置における電圧印加時の液晶セル及び光学補償層の動作を説明する図である。
【図９】従来の液晶表示装置における液晶セル及び光学補償層の基板の配向方向と偏光板の透過軸の配置関係を示す図である。
【符号の説明】
１  第一基板
８、１２、１６、１８  配向膜
９  第二基板
１０  第一偏光板
１３  液晶分子
１５、１９  基板
１７  補償用液晶分子
２０  液晶セル
３０  光学補償層
４０  第二偏光板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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