(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶分子を両基板間において１００°〜３００°のツイスト角でツイスト配列させたＳＴＮ液晶セルと、
該液晶セルの両側に配置された１対の偏光板と、
液晶セルと偏光板の間の少なくとも片側に配置された１枚又は複数枚のフィルム光学位相差板とを有するフィルム補償型ＳＴＮ液晶表示装置において、
フィルム光学位相差板は、主鎖がポリシロキサン系である側鎖型高分子液晶を他の高分子中に分散させてなるフィルムを延伸したものであることを特徴とする液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学位相差板を用いた液晶表示装置に関し、さらに詳しくは、ＳＴＮ液晶表示装置の色補償板として好適なフィルム光学位相差板を用いた液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の計器類、又はパーソナルコンピューター、ワードプロセッサー、データ端末等の表示装置として液晶表示装置が多く採用されている。これらの多くは大容量表示を行うことから、コントラスト低下や視角特性が狭くなるのを防ぐため、スーパーツイストネマチック（以下、ＳＴＮということがある。）モードを主に使用している。しかし、ＳＴＮは複屈折効果を利用するため、着色表示となってしまう欠点があった。
【０００３】
そこで、複屈折による色付きを補償して白黒表示を行わせる高分子フイルム補償型液晶表示素子が開発された。補償用の高分子フィルムは特定の高分子成分を含み、延伸、配向を行うことにより、屈折率の異方性が生じるようにされたものである。
【０００４】
しかしながら、該表示素子はフィルム光学位相差板の高分子成分がもつΔｎと液晶表示装置中の液晶がもつΔｎとの温度特性の違いにより、高低温において液晶表示素子とフィルム光学位相差板のリタデーションの温度変化の違いから補償性能が落ち、コントラストや透過率、視角特性の低下及び背景色変化を起こす欠点があった。すなわち、通常、屈折率異方性Δｎをもつ高分子成分は、液晶表示装置に用いられる液晶に比べて複屈折の温度変化が著しく小さく、この特性の違いにより高温もしくは低温において補償性能が落ち、表示素子のコントラストや透過率、視角特性の低下及び背景色変化を起こす欠点がある。つまり、フィルム光学位相差板を用いて白黒表示を行う液晶表示装置は、フィルム光学位相差板の高分子成分と液晶表示装置中の液晶とのΔｎの温度特性の違いにより、液晶表示素子とフィルム光学位相差板のリタデーションの温度変化が異なるため、温度によりコントラスト比や透過率、視角特性の低下及び背景色変化を起こす問題点があった。
【０００５】
これらの問題を解決する方法として、従来、アクリル系フィルム（ポリメタクリル酸メチル、ＰＭＭＡ）を使用したものは知られている（特開平６−２７４３３号公報）。しかし、ＰＭＭＡを使った位相差板には、材料的にリタデーションの温度特性が限られてしまう、ポリマー自身の複屈折が小さいためフィルム光学位相差板が厚くなる、液晶と分子構造が異なるため波長分散の影響によりコントラストが低下する等の問題点があった。また特開平５−２５７０１３号公報には、高分子フィルムに液晶分子を分散し、高分子フィルムごと延伸することにより位相差フィルムを得ることが記載されている。しかしながら、具体的にどのような特性を有する液晶化合物と高分子との組み合わせのときに優れた効果が得られるかの記載はない。また、液晶表示装置に実装されておらず、どのような特性を有する高分子−液晶分子分散フィルムが、液晶セルと組み合わせた場合に優れた効果が得られるかの記載もない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題点を解消し、フィルム光学位相差板と液晶表示素子の複屈折率の温度変化を最適値に合わせ、液晶とほぼ同様の波長分散を有するフィルム光学位相差板により、広い温度領域で実質的な温度補償が可能な液晶表示装置を提供することを１つの目的とする。特に、フィルム光学位相差板に液晶と極めて近似した温度特性と波長分散を有させることにより、広範囲の温度でより表示品位の高い液晶表示装置を提供することを目的とする。また、フィルム光学位相差板が、フィルムとして安定な温度領域が広く、広範囲な温度条件で実用的な液晶表示装置を提供することを目的とする。さらに、フィルム光学位相差板として成型がしやすく、実用的な光学位相差板を提供することにより、実用価値を高めた液晶表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の問題点を解決すべくなされたものであり、フィルム補償型液晶表示装置において、色付きを補償して白黒表示を行わせるフィルム光学位相差板のもつリタデーション（Δｎ・ｄ）の温度変化を、液晶表示素子中の液晶組成物と同等の温度特性を持つ側鎖型高分子液晶を他の高分子中に分散させたフィルム（以下、高分子液晶分散フィルムということがある。）を用いて補償し、高低温において良好な表示を得ることを特徴とする液晶表示装置を提供するものである。
【０００８】
すなわち、本発明は、液晶分子を両基板間において１００°〜３００°のツイスト角でツイスト配列させたＳＴＮ液晶セルと、該液晶セルの両側に配置された１対の偏光板と、液晶セルと偏光板の間の少なくとも片側に配置された１枚又は複数枚のフィルム光学位相差板とを有するフィルム補償型ＳＴＮ液晶表示装置において、フィルム光学位相差板は、主鎖がポリシロキサン系である側鎖型高分子液晶を他の高分子中に分散させてなるフィルムを延伸したものであることを特徴とする液晶表示装置を提供するものである。
【０００９】
ここで、フィルム光学位相差板のリタデーションの温度変化率は、高温で小さくなるようにするのが好ましい。また、フィルム光学位相差板のリタデーションの温度変化率は、液晶セルのそれ以下とすることができる。さらに、フィルム光学位相差板の２５℃におけるリタデーションに対する８０℃におけるリタデーションの変化率Ｒ80/25 が、液晶セル中の液晶のＴｃ（透明点、単位℃）に対して、次の〔数１〕の関係、とりわけ〔数２〕の関係を満たすことが好ましい。
【００１０】
【数１】
０.００５Ｔｃ＋０.０６≦Ｒ80/25 ≦０.００５Ｔｃ＋０.４６
かつＲ80/25 ＜１
【数２】
０.００５Ｔｃ＋０.１５≦Ｒ80/25 ≦０.００５Ｔｃ＋０.３３
かつＲ80/25 ＜１
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を説明する。本発明の液晶表示素子における液晶層には、スーパーツイストネマッチック液晶表示素子が用いられる。この場合、具体的には、ほぼ平行に配置された１対の透明電極基板間に旋光性物質を含有した誘電率異方性が正のネマチック液晶を挟持し、両電極間での液晶分子のねじれ角を１００°〜３００°とすればよい。これは、１００°未満では急峻な透過率変化が必要とされる高Ｄｕｔｙでの時分割駆動をした際のコントラスト比の向上が少なく、逆に３００°を越えるとヒステリシスや光を散乱するドメインを生じやすいためである。
【００１２】
また、液晶層のリタデーションが特に０.４μm〜１.５μmとされるものが好ましい。干渉色の補償層を付加して、白黒表示とした場合、リタデーションが０.４μm未満ではＯＮ時の透過率が低く、青みがかった表示色になりやすく、また１.５μmを越えるとＯＮ時の色相が黄色から赤色となり、白黒表示となりにくいからである。特に、表示色の無彩色化が厳しく要求される用途では、リタデーションは０.５μm〜１.０μmとされることが好ましい。
【００１３】
上記液晶層を挟持した液晶セルの基本構成は以下のようになる。プラスチック、ガラス等の基板の表面に所望のパターンでパターニングされたＩＴＯ（Ｉｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2 ）、ＳｎＯ2 等の透明電極が設けられて、電極付きの基板とされる。電極層は、表示に対応してパターニングされてもよいし、共通電極として用いられる場合などにはベタ電極とされてもよい。電極層の形成方法としては、特にこれに限るものではないが、層厚を均一にする見地からは、蒸着法、スパッタ法等が好ましく用いられる。
【００１４】
また、本発明においては、必要に応じて電極の上又は下にＳｉＯ2 、ＴｉＯ2 等の絶縁膜、位相差膜、偏光膜、反射膜、光導電膜等が形成されてもよい。透明電極形状の代表的な例として、一方の基板に６４０本のストライプ状の電極が形成され、他方の基板には、これに直交するように４００本のストライプ状の電極が形成され、６４０×４００ドットの表示がなされるものが挙げられる。さらに、この６４０本のストライプ状の電極を各々３本１組として１９２０本のストライプ状の電極とし、ＲＧＢのカラーフィルターを配置してフルカラーで６４０×４００ドットの表示をすることもできる。
【００１５】
この電極付き基板の表面には、表面をラビングされたポリイミド、ポリアミド等の膜や斜め蒸着されたＳｉＯ等の膜からなる配向制御膜が形成される。表示モードによっては垂直配向剤を塗布する必要がある場合もある。２枚の上記基板が準備されて、前記した液晶層を挟持するようになっている。この際、電極と配向制御膜との間に基板間短絡防止のためにＴｉＯ2 、ＳｉＯ2 、Ａｌ2Ｏ3等の絶縁膜を設けたり、透明電極にＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ等の低抵抗のリード電極を併設したり、カラーフィルターを電極の上又は下に積層したりしてもよい。
【００１６】
通常はこの基板の外側の少なくとも一方に偏光板を配置する。この偏光板自体も、セルを構成する基板の外側に配置することが一般的であるが、性能が許せば、基板自体を偏光板で構成したり、基板と電極との間に偏光層として設けたりしてもよい。
【００１７】
本発明の液晶表示装置は、透過型でも反射型でも使用可能で、その応用範囲が広い。なお透過型で使用する場合は、裏側に光源を配置することが好ましい。また、光源にも導光体やカラーフィルターを併用してもよい。さらに、透過型で使用する場合、画素以外の背景部分を印刷等による遮光膜で覆うこともできる。また、遮光膜を用いるとともに表示したくない部分に選択波形を印加するように、逆の駆動をすることもできる。
【００１８】
さらに本発明では、カラーフィルターを併用することも可能である。このカラーフィルターは、セル内面に形成することにより、視角によるズレを生じなく、より精密なカラー表示が可能となる。具体的には、電極の下側に形成されてもよいし、電極の上側に形成されてもよい。また、色を補正するためのカラーフィルターやカラー偏光板を使用したり、液晶中に色素を添加したり、又は特定の波長分布を有する照明を用いたりしてもよい。本発明ではこのような構成の液晶セルの電極に電圧を印加するための駆動手段を接続し、駆動を行う。本発明はこのほか、その効果を損なわない範囲で、通常のスーパーツイストネマティック液晶表示装置で使用されている種々の技術が適用可能である。
【００１９】
図１は本発明の液晶表示装置の基本的な１例の断面図を示す。図において、１、２は一対の偏光板、３は電圧印加により具体的に表示を行う液晶セルである。ここで、液晶セルに好適に用いられる液晶としては、高分子液晶分散フィルムとリタデーションの温度特性を適合させるため、Ｔｃ（透明点）の比較的高い液晶がよく、具体的には、Ｔｃが８０℃〜１３０℃の範囲の液晶がよい。４はフィルム光学位相差板を示している。５、６は液晶セルを構成するガラス基板、７、８はその内面に形成されたＩＴＯ（Ｉｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2 ）、ＳｎＯ2 等の透明電極、９、１０はポリイミド、ポリアミド等の膜をラビングしたり、ＳｉＯ等を斜め蒸着したりして形成した配向制御膜、１１、１２は透明電極と配向制御膜との間に基板間短絡防止のために必要により設けられるＴｉＯ2 、ＳｉＯ2 、Ａｌ2Ｏ3等の絶縁膜、１３はこれら２枚の基板１，２の周辺をシールするためのシール材、１４は液晶層を示している。
【００２０】
従来、フィルム補償型液晶表示装置は、フィルム光学位相差板にポリカーボネートのような主鎖に剛直な分子をもつ高分子を使用していたため、液晶表示素子中の液晶とフィルム光学位相差板の成分である高分子とのΔｎの温度特性の違いより、高温においてリタデーションの変化量の違いを生じ、コントラストの低下等が起こる欠点があった。そこで、本発明ではこれらの問題を解決するために、側鎖型高分子液晶を他の高分子フィルム中に分散させたフィルム光学位相差板を作成した。側鎖型高分子液晶は側鎖に液晶性を示すメソゲン基をもち、側鎖の熱挙動がほぼセル中の液晶と同様であることが知られている。
【００２１】
しかし、側鎖型高分子液晶単体でフィルム光学位相差板を作成すると、ポリマーの特性からフィルム光学位相差板の信頼性、成膜性等に問題があり、ガラス等の支持体で挟みこまなければならない等の問題点があった。そこで、本発明ではさらに、側鎖型高分子液晶をフィルム化や信頼性の安定した他のポリマー中に分散させることにより、フィルム光学位相差板の信頼性を高め、成膜性を良くし、支持体を無くしても安定したリタデーションを得ることができる位相差板を作成した。このときリタデーションは、フィルム光学位相差板自体がある程度の強度を持つため、配向制御膜や磁場法などにより分子を配向させなくても、フィルムを延伸することにより調節できる。また、これらの方法を使うことにより、高分子液晶を変えることでリタデーションの温度特性の異なるフィルム位相差板も容易に作成できる。
【００２２】
本発明で高分子液晶分散フィルムに用いられる高分子としては、液晶表示装置の使用温度範囲や液晶セルとの貼合工程の温度で光学的性質や形状の変化が起こらない高分子が好ましく、ガラス転移温度がある程度高い熱可塑性エンジニアリング高分子、又は可塑剤が添加されている高分子では流動温度がある程度高い高分子が、好ましく用いられる。マトリックスに求められるガラス転移温度又は軟化温度としては、８０℃〜２５０℃が好ましく、９０℃〜２００℃がさらに好ましい。
【００２３】
これらの条件を満たす高分子としては、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリアリレート、ポリエーテルスルホン、２酢酸セルロース、３酢酸セルロース、エチレンビニルアルコール共重合体、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどが例示され、好ましくはポリカーボネート、ポリスルホン、３酢酸セルロース、ポリエチレンテレフタレートが例示される。
【００２４】
本発明で用いられる高分子液晶は、高分子フィルム中で良好な分散状態と屈折率異方性を示すものとして、メソゲン基を側鎖に有する側鎖型高分子液晶が好適である。これらの高分子液晶の重合度は４〜３０が好ましく、さらに好ましくは５〜２０である。高分子液晶における主鎖の構造としては、メタクリレート系、アクリレート系、ポリシロキサン系が例示されるが、本発明では、主鎖がポリシロキサン系のものを用いる。高分子液晶におけるメソゲン基は公知のものが使用でき、スペーサーと呼ばれる炭素数１から１０までのアルキレン基又はアルキレンエーテル等を介して高分子液晶の主鎖と結合されている。これらメソゲン基を側鎖に有する高分子液晶の合成方法としては、メソゲン基を有するモノマーを重合する方法や高分子にメソゲン基を付加する方法が例示される。また、これらの側鎖型高分子液晶は単独で用いてもよいし、混合して用いてもよい。さらに、側鎖型高分子液晶の側鎖基は単一である必要はなく、異なる側鎖よりなる共重合物であってもよい。
【００２５】
次に、高分子液晶が分散した高分子フィルムの作成方法について説明する。高分子液晶と高分子の混合方法としては、特に制限されないが、均一性の観点から溶液状態で混合することが好ましい。具体的には高分子を溶媒に溶解し、これに高分子液晶を溶解して混合する方法が挙げられる。用いる溶媒は、該高分子や高分子液晶に対する溶解度が大きい方が好ましい。高分子フィルムの成膜方法は、溶液からキャストする溶剤キャスト法、固体状態で混練しダイなどから押し出しフィルムにする押し出し成型法、固体状態で混練した後カレンダロールでフィルムにするカレンダー法、プレスなどでフィルムにするプレス成型法などが例示される。この中でも、膜厚精度に優れた溶剤キャスト法が好ましい。
【００２６】
成膜後フィルムを加熱しながら延伸するときの延伸方法としては、テンター延伸法、ロール間延伸法、ロール間圧縮延伸法などが例示される。フィルム面の均一性などの観点から、テンター延伸法、ロール間延伸法が好ましい。フィルムの加熱方法については、特に制限はない。加熱温度については、使用するマトリックスポリマーや液晶の転移温度、得られる高分子液晶分散フィルムのリタデーションの温度変化率により適宜選択されるが、９０℃以上が好ましい。
【００２７】
本発明によって、広い温度範囲において信頼性よく複屈折の補償が行える理由については、次のように考えられる。本発明においては、まず液晶表示素子とフィルム光学位相差板のリタデーションの温度変化の違う欠点を解消すべく、色付きを補償して白黒表示を行わせるフィルム光学位相差板を、高分子液晶分散フィルムとすることで、液晶表示素子中のリタデーションの温度特性と同様のΔｎの温度特性を持つフィルム光学位相差板とできる。このようにして、高低温時において液晶表示素子とフィルム光学位相差板のリタデーション差が変わらず、コントラスト比や背景色の変化を防ぐことが可能となる。特に精密な温度補償の観点から、液晶の透明点に応じてフィルム光学位相差板のリタデーションの温度変化率の幅を設定することが好ましく、両者の間に前記〔数１〕、特に〔数２〕の関係が成立するように設定することが好ましい。また、フィルム光学位相差板のリタデーションの温度変化率が液晶セルのそれを上回らないようにすることが、高温時のコントラスト比等の面から好ましい。なお、フィルム光学位相差板を２枚〜５枚重ねて用いることができる。こうすることにより、（１）フィルム１枚タイプより２枚以上使用した方が光学補償性が良くなる、（２）他の信頼性の高いフィルムと組み合わせることで高い信頼性が得られる等のメリットがある。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明を実施例により詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２９】
比較例１
第１の基板として、ガラス基板上に設けられたＩＴＯ透明電極をストライプ状にパターニングし、転写法でＳｉＯ2 による短絡防止用の絶縁膜を形成し、ポリイミドのオーバーコートをスピンコートし、これをラビングして、配向制御膜を形成した基板を作成した。第２の基板として、ガラス基板上に設けられたＩＴＯ透明電極を第１の基板と直交するようにストライプ状にパターニングし、ＳｉＯ2 の絶縁膜を形成し、ポリイミドのオーバーコートを形成し、これを第１の基板のラビング方向と交差角６０°となるようにラビングして、配向制御膜を形成した基板を作成した。
【００３０】
この２枚の基板の周辺をシール材でシールして液晶セルを形成し、この液晶セル内に、誘電異方性が正のネマティック液晶（Ｔｃ＝１１０℃）を注入して、２４０°捻れの左らせんの液晶層となるようにし、注入口を封止した。この液晶層のリタデーションは２５℃で８８０nm（測定波長５９０nm）であった。別途、ポリカーボネート（帝人製、商品名パンライトＣ１４００）を塩化メチレンに２０wt％になるように溶解し、５００μm ギャップのアプリケーターよりキャストして、フィルムを得た。得られたフィルムを１８０℃で１.２倍に延伸したところ、２５℃でのリタデーションが３９７nm のフィルム光学位相差板を得た。得られたフィルム光学位相差板を８０℃に加熱しても、リタデーションの変化はなかった。
【００３１】
図１は、この例で使用した液晶表示素子を模式的に表した図である。１、２は１対の偏光板、３は液晶セル、４はフィルム光学位相差板である。図２の（Ａ）並びに（Ｂ）は、それぞれ上からみた場合の、上側偏光板の偏光軸方向１６、フィルム光学位相差板の光軸方向１７及び液晶層上側の液晶分子の長軸方向１５の相対位置、並びに、下側偏光板の偏光軸方向１９、下側のフィルム光学位相差板の光軸方向２０及び液晶層下側の液晶分子の長軸方向１８の相対位置を示した平面図である。ここで、液晶層の上側の液晶分子の長軸方向１５からみた上側の偏光板の偏光軸１６の方向を反時計回りに計ったものをθ1 、液晶層の上側の液晶分子の長軸方向１５からみた複屈折板の光軸方向１７を反時計回りに計ったものをθ2 、液晶層の下側の液晶分子の長軸方向１８からみた下側の偏光板の偏光軸１９の方向を時計回りに計ったものをθ3 、液晶層の下側の液晶分子の長軸方向１８からみた下側の複屈折板の光軸方向２０を時計回りに計ったものをθ4 とする。比較例１でのθ1、θ2、θ3、θ4はそれぞれ、１３０°、１００°、４０°、１００°である。
【００３２】
実施例１
比較例１の液晶表示装置において、ポリカーボネートからなるフィルム光学位相差板の代わりに、側鎖型高分子液晶を高分子フィルムに分散させてなるフィルム光学位相差板を用いた。該フィルム光学位相差板は、以下のようにして得た。すなわち、メソゲン基を側鎖に有する直鎖状シロキサン系液晶オリゴマー（ネマティック相を示し、ネマティック／等方相転移温度が６６℃であった。）とポリカーボネート（帝人製、商品名パンライトＣ１４００）を重量比で７：９３になるよう混合し、混合物を塩化メチレンに２０wt％になるように溶解した。得られた溶液を５００μm ギャップのアプリケーターからキャストして、フィルムを得た。得られたフィルムを１８０℃で １.６倍に延伸したところ、２５℃と８０℃とにおけるリタデーションがそれぞれ３９７nmと３２７nmの高分子液晶分散フィルムを得た。
【００３３】
このフィルム光学位相差板を用いて、比較例１と同様に、θ1、θ2、θ3、θ4はそれぞれ１３０°、１００°、４０°、１００°とし、比較例１と同様の測定を行ったところ、表１のような結果となった。また、低温時においても、コントラスト比、背景色の変化は従来のフィルム補償型液晶表示素子と比べ少なくなった。ここで、駆動条件は、１／３２Ｄｕｔｙ−１／７Ｂｉａｓで測定を行った。
【００３４】
【表１】
0003720921.tif 000002
【００３５】
【発明の効果】
本発明は、従来のフィルム型液晶表示装置の欠点であった高温時におけるコントラスト比の低下や背景色の変化などを解消して、広い温度範囲でコントラスト比の低下や背景色の変化のない液晶表示装置が得られるという優れた効果を有する。また、この他に高温時での視角特性などにも効果があると思われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による液晶表示素子を模式的に表した断面図。
【図２】上からみた上側及び下側の液晶分子の長軸方向、偏光板の偏光軸方向及びフィルム位相差板の光軸方向の相対位置を示した平面図。
【符号の説明】
１‥‥‥偏光板
２‥‥‥偏光板
３‥‥‥液晶セル
４‥‥‥フィルム光学位相差板
５‥‥‥ガラス基板
６‥‥‥ガラス基板
７‥‥‥透明電極
８‥‥‥透明電極
９‥‥‥配向制御膜
１０‥‥‥配向制御膜
１１‥‥‥絶縁膜
１２‥‥‥絶縁膜
１３‥‥‥シール剤
１４‥‥‥液晶層
【図１】
0003720921.tif 000003
【図２】
0003720921.tif 000004