(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の基板間に液晶層を挟み込んだ液晶表示装置において、前記液晶層は基板の法線方向について液晶分子が水平配列した領域と垂直配列した領域を有し、水平配列した領域の液晶分子によるリタデーションと垂直配列した領域の液晶分子によるリタデーションが互いに相殺し合うように各領域のギャップ幅を設定したことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
一対の基板間に液晶層を挟み込み、一方の基板の配向膜には垂直配向を行い、他方の基板の配向膜には水平配向を行った液晶表示装置において、前記垂直配向の配向膜に影響されて垂直配列する液晶分子のリタデーションと前記水平配向の配向膜に影響されて水平配列する液晶分子のリタデーションとが相殺するように各配向膜の配向アンカリングの強度を設定したことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項３】
前記基板を一対の偏光板で挟んだ液晶表示装置において、両偏光板の透過軸又は吸収軸のなす角度が９０度になると共に、水平配向の配向膜を有する基板に対応する偏光板の透過軸又は吸収軸が水平配向の方向と同一方向になるように偏光板が配置されている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】
前記偏光板の透過軸又は吸収軸に対して４０度から５０度をなす方向であって、且つ前記偏光板の法線方向に対して１０度から７０度の方向に含まれる範囲のうち所定の方向から前記偏光板を見たときの液晶層のリタデーションがほぼ０になるように、前記水平配列の領域と前記垂直配列の領域のギャップ幅を設定した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】
前記基板間にカイラル剤が添加された誘電率異方性が負のネマティック液晶を介在させた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】
前記一対の基板のうち、一方の基板の配向膜には水平配向が施され、他方の基板の配向膜には垂直配向が施されると共に前記一方の基板の配向膜に施された水平配向方向と直交する水平方向に配向処理が施されてい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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速応答性及び視角特性に優れた液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は薄型軽量、低消費電力という特徴があり、携帯端末からパーソナルコンピュータ、テレビに至るまで幅広く利用されている。こうした液晶表示装置にはその性能として高速応答や広視野角が要求され、その要求を満たすために様々な工夫がなされている。高速応答が可能な液晶表示装置として、例えば特開平９−１４６０８６号公報や特開平９−１９７３９７号公報に開示されているＨＡＮ配向（ｈｙｂｒｉｄ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｎｅｍａｔｉｃ）の液晶表示装置がある。
【０００３】
この従来の液晶表示装置を図７及び図８に基づき説明する。ここではオフ時に黒表示となるノーマリブラックの場合を説明する。図７は黒表示（オフ時）における液晶表示装置の概略構成図であり、図８は黒表示（オフ時）における偏光板の透過軸と液晶分子を配列状態との位置関係を示す概略図である。
【０００４】
この液晶表示装置は一方の基板１００ｂには水平配向処理を行い、他方の基板１００ａには垂直配向処理を行ったもので、オフ状態の場合は、液晶分子１０２は水平配向の基板１００ｂ側では所定のプレチルト角を有して水平配列し、垂直配向の基板１００ａ側では垂直配列し、その間の液晶層１０１で水平配列から垂直配列に徐々に配列状態を変化している。
【０００５】
この液晶層１０１を挟んだ基板１００の上下には偏光板１０３が配置され、この偏光板１０３は、両偏光板１０３の透過軸１０７のなす角が９０度で、水平配向の基板１００ｂに対応する偏光板１０３ｂの透過軸１０７ｂが水平配向の配向方向と４５度をなすように設定されている。なお、透過軸を吸収軸に置換えても良い。図８では基板１００ｂ側の液晶分子１０２ｂ及び偏光板１０３ｂの透過軸１０７ｂを点線で示し、基板１００ａ側の液晶分子１０２ａ及び偏光板１０３ａの透過軸１０７ａを実線で示している。
【０００６】
基板１００ａと偏光板１０３ａの間には光学補償シート１０８を設けている。この光学補償シート１０８は、オフ時の液晶層１０１と光学補償シート１０８の合成屈折率楕円体が球になるような屈折率楕円体を有し、例えば１軸性又は２軸性の光学異方素子が用いられる。
【０００７】
そして透過軸１０７ｂを通過した入射光（直線偏光）は液晶層１０１の液晶分子１０２、光学補償シート１０８を通過して偏光板１０３ａへ達する。このオフ時には液晶層１０１と光学補償シート１０８の合成屈折率楕円体が球になるので、偏光板１０３ａに達した透過光は振幅方向が透過軸１０７ｂと同一方向の直線偏光になり、偏光板１０３ａの透過軸１０７ａを通過することなく黒表示（ノーマリブラックモード）になる。
【０００８】
また液晶層１０１に所定電圧が印加されると、水平配列している液晶分子１０２の配列状態が垂直配列に変化し、液晶層１０１と光学補償シート１０８の合成屈折率楕円体が球から楕円体に変化する。したがって透過軸１０７ｂを通過した入射光（直線偏光）は、偏光板１０３ａに達したときに液晶層１０１と光学補償シート１０８による複屈折効果により楕円偏光になるので、透過軸１０７ａを通過して白表示になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしＨＡＮ配向の液晶表示装置は、偏光板１０３ａの表面の法線方向から見たときは良好な黒表示が実現できるが、法線方向に対してある程度の角度をなす方向から見たときに光漏れが生じる。特に透過軸１０７の方向１０９から偏光板１０３ａを斜めに見る場合は光漏れが少ないものの、透過軸１０７と４５度の角度をなす方向１１０から偏光板１０３ａを斜めに見る場合は光漏れが多い。
【００１０】
こうした光漏れを防ぐために、どの方向から偏光板１０３ａを斜めに見た場合も液晶層１０１と光学補償シート１０８の合成屈折率楕円体が球になるように、光学補償シートに様々な工夫することが試みられている。
【００１１】
そこで本発明は、液晶層の垂直配列の液晶分子と水平配列の液晶分子が互いのリタデーションを相殺するようにして液晶層自体に視角補償の機能を持たせ、広視角化及び高速応答が可能な液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、一対の基板間に液晶層を挟み込んだ液晶表示装置において、液晶層は基板の法線方向について液晶分子が水平配列した領域と垂直配列した領域を有し、水平配列した領域の液晶分子によるリタデーションと垂直配列した領域の液晶分子によるリタデーションが互いに相殺し合うように各領域のギャップ幅を設定したことを特徴とする。
【００１３】
また請求項２記載の発明は、一対の基板間に液晶層を挟み込み、一方の基板の配向膜には垂直配向を行い、他方の基板の配向膜には水平配向を行った液晶表示装置において、垂直配向の配向膜に影響されて垂直配列する液晶分子のリタデーションと水平配向の配向膜に影響されて水平配列する液晶分子のリタデーションとが相殺するように各配向膜の配向アンカリングの強度を設定したことを特徴とする。
【００１４】
また請求項３記載の発明は、一対の基板を一対の偏光板で挟んだ液晶表示装置において、両偏光板の透過軸又は吸収軸のなす角度が９０度になると共に、水平配向の配向膜を有する基板に対応する偏光板の透過軸又は吸収軸が水平配向方向と同一方向になるように偏光板が配置されていることを特徴とする。
【００１５】
また請求項４記載の発明は、偏光板の透過軸又は吸収軸に対して４０度から５０度をなす方向であって、且つ偏光板の法線方向に対して１０度から７０度の方向に含まれる所定の方向から偏光板を見たときの液晶層のリタデーションがほぼ０になるように、水平配列の領域と垂直配列の領域のギャップ幅を設定したことを特徴とする。
【００１６】
また請求項５記載の発明は、基板間にカイラル剤が添加された誘電率異方性が負のネマティック液晶を介在させたことを特徴とする。
【００１７】
また請求項６記載の発明は、一対の基板のうち、一方の基板の配向膜には水平配向が施され、他方の基板の配向膜には垂直配向が施されると共に一方の基板の配向膜に施された水平配向方向と直交する水平方向に配向処理が施されていることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。この液晶表示装置はノーマリブラックモードであり、図１は黒表示（オフ時）における液晶分子の配列状態を示す概略構成図、図２は白表示（オン時）における液晶分子の配列状態を示す概略構成図、図３はオフ時の液晶表示装置の側面該略図、図４は偏光板の透過軸と液晶分子の配列方向の関係を示す図である。
【００１９】
第１基板１はガラス基板１ａ上に画素電極１ｂ、配向膜１ｃを積層し、第２基板２はガラス基板２ａ上に透明電極２ｂ、配向膜２ｃを積層している。第１基板１上にスペーサを散布させた後、第１基板１と第２基板２をそれぞれの配向膜１ｃ、２ｃが向かい合うように所定の位置に対向配置し、両基板１、２の周辺をシール剤で固着する。両基板１、２間に誘電率異方性が負のネマティック液晶３が封入され、液晶分子４が配向膜１ｃ、２ｃの影響によって後述する配列を保っている。また液晶層３にはカイラル剤が添加されているので、オン時には図２に示すように液晶分子４が配列する。なおこの実施例では、カイラル剤は液晶分子４を右方向（時計回り）に回転させる特性を有している。
【００２０】
第１基板１の下方には下偏光板５が配置され、第２基板２の上方には上偏光板６が配置されている。下偏光板５と上偏光板６は図４に示すように、その表面の法線方向９から見た際に互いの透過軸８ａ、８ｂが直交するように配置され、且つ下偏光板５は透過軸８ａと第１基板１の配向方向７ａが同一方向になるように配置される。図４では第１基板１側の液晶分子４ａ及び下偏光板５の透過軸７ａを実線で示し、第２基板２側の液晶分子４ａ及び上偏光板６の透過軸７ｂを点線で示している。また、両基板１、２及び両偏光板５、６は表面が平行になるように配置されるので、その法線方向９は一致する。なお、この実施例では透過軸で説明するが、透過軸の代わりに吸収軸の場合でもよい。
【００２１】
第１基板１の配向膜１ｃには水平配向処理が施され、第２基板２の配向膜２ｃには垂直配向処理が施されている。また第２基板２の配向膜２ｃには第１基板１ｃの水平配向の配向方向７ａと９０度をなす方向７ｂに配向処理が行われ、オン時に第２基板２側の液晶分子４ｂがその配向方向７ｂに配列する。この配向処理は、第２基板２に垂直配向膜を積層し、この垂直配向膜に形成しようとする配向方向７ｂと振幅方向が直交する直線偏光の紫外線を照射することで、オフ時には垂直配向が液晶分子４に作用しながらオン時には液晶分子４を配向方向７ｂの水平方向に配列するよう作用する配向膜２ｃが形成できる。
【００２２】
オフ時（図１）には、第１基板１側の液晶分子４ａは配向膜１ｃの水平配向に影響されてプレチルト角θの傾斜で水平配列し、第２基板２側の液晶分子４ｂは配向膜２ｃの垂直配向に影響されて垂直配列する。このとき液晶分子４の水平配列領域１２ａのギャップ幅と垂直配列領域１２ｂのギャップ幅は、上偏光板６の法線方向９に対してある角度を有する斜め方向から見たときに光り漏れが生じないように、水平配列領域１２ａのリタデーションと垂直配列領域１２ｂのリタデーションが相殺するように設定され、これは各配向膜１ｃ、２ｃの配向アンカリングの強さを調整して実現する。特に透過軸８ａ、８ｂに対して４５度の角度（β）をなす方向から見た際の液晶層３のリタデーションがほぼ０になるように設定すれば、オフ時の光漏れを最小限に抑えることができる。
【００２３】
そしてオフ時の場合、振幅方向が透過軸８ａと同一方向の直線偏光（入射光）１０ａが下偏光板５を通過し、液晶分子４を介して上偏光板６へ到達する。このとき上偏光板６へ達した透過光１０ｂは入射光１０ａと振幅方向が同一方向の直線偏光なので、上偏光板６によって遮られる。また、水平配列領域１２ａの液晶分子４ａが透過光１０ｂに与えるリタデーションと垂直配列領域１２ｂの液晶分子１０ａが透過光１０ｂに与えるリタデーションが相殺し合うので、例えば透過軸８ｂと４５度（β）をなす方向から斜めに見た場合（矢印１）も黒表示になる。
【００２４】
オン時（図２）の場合、誘電率異方性が負の液晶にカイラル剤が添加されているので、垂直配列状態の液晶分子４ｂは水平方向に倒れ、且つ水平状態の液晶分子４は右方向（時計回り）へ回転する。したがって液晶層３では第１基板１から第２基板２にかけて液晶分子４が時計回りに捻れながら配列する。さらに垂直配向処理が施された配向膜２ｃには、配向膜１ｃの配向方向７ａと直交する水平方向７ｂの配向処理が施されているので、垂直配列状態１２ｂの液晶分子４ｂが第２基板２の配向方向７ｂに水平配列し、第１基板１側の液晶分子４ａの長軸方向と第２基板２側の液晶分子４ｂの長軸方向が９０度になるように捻れながら配列する。なおこの実施例では、液晶層３内で液晶分子４が９０度捻れるように液晶層３のギャップ幅やカイラル剤を設定している。
【００２５】
そして下偏光板５を通過した直線偏光の入射光１０ａは液晶分子４によって旋光されて上偏光板６へ達する。上偏光板６へ達した透過光１０ｃはその振幅方向が透過軸８ｂと同一方向の直線偏光になっているので、上偏光板６を通過して白表示になる。
【００２６】
このようにノーマリブラックモードのＨＡＮ配向の液晶表示装置において、オン時に液晶分子４を水平配列状態で捻れるようにしているので、光学補償シート等を設けなくても簡単な構成で白表示が実現できる。
【００２７】
次に水平配列領域のギャップ幅と垂直配列領域のギャップ幅の一例を説明する。図５は図４のＡ’−Ａ’線に沿った側面概略図であり、説明及び計算を簡単にするために液晶層３を垂直配列領域１２ｂと水平配列領域１２ａの２つに領域に分割し、垂直配列領域１２ｂの液晶分子４ｂは全て基板の法線方向９と平行に垂直配列し、水平配列領域１２ａの液晶分子４ａは全て基板の法線方向９と直交方向に水平配列するものとする。そしてこの例では、透過軸８ｂと４５°（β）をなす方向で且つ基板の法線方向９に対して７０°（α）の方向から液晶層３を見たときのリタデーションがほぼ０になるように設定する。
【００２８】
液晶分子４の屈折率は長軸方向ｎｘ＝１．５５７５、短軸方向ｎｙ＝１．４７５４とし、液晶層３のギャップ幅は垂直配列領域１２ｂがｄｖ、水平配列領域１２ａがｄｈとする。
【００２９】
α＝７０°の場合、液晶層３における光の進行方向α’は約３８°になる（図５）。また、液晶層３における光の進行方向と液晶分子４ａの長軸とのなす角度γ１は約６４°になり、屈折率が最大となる光の振動方向（以下、振動方向１という）と液晶分子の長軸とのなす角γ２はγ２＝９０°−γ１＝２６°になる。
【００３０】
ここで図６にα、γ１、γ２等の関係を示す。図６において液晶分子４ａの長軸はＸ軸上にあるものとし、Ｚ軸の正領域が空気中、負領域が液晶層とする。またＸＹ平面のＡ’−Ａ’線は、光路（矢印１）をＸＹ平面に投影したときの線を示す。ここでＺ軸の正領域においてＺ軸とα、Ｙ軸とβをなす方向（光路）から原点を見ると、Ｚ軸の負領域（液晶層）においてＺ軸とα’、Ｙ軸と４５°をなす方向へ光路を得る。このときのＺ軸の負領域における光路とＸ軸（液晶分子の長軸）とのなす角がγ１となり、この光路と直交しＸ軸と交差する線とＸ軸がなす角がγ２となる。なお振動方向１は、振動成分が光路と直交し且つ振動成分方向とＸ軸（液晶分子の長軸方向）とが９０°をなす光（常光）に対し、振動成分が光路及び常光と直交し且つＸ軸と交差する方向になる。
【００３１】
次にα＝７０°、β＝４５°のときの水平配列領域１２ａにおけるリタデーションＲ（ｈ、α）を計算する。このときの水平配向領域１２ａにおける振動方向１に対する屈折率ｎｘｈ（α）は次式で表される。
【００３２】
ｎｘｈ（α）＝ｎｘ・ｎｙ／（ｎｘ２・ｓｉｎ２γ２＋ｎｙ２・ｃｏｓ２γ２）０．５
また常光屈折率ｎｙｈ（α）はｎｙｈ（α）＝ｎｙ、水平配列領域における光路ｄ（ｈ、α）はｄ（ｈ、α）＝ｄｈ／ｃｏｓα’で表せる。したがって水平配列領域１２ａにおけるリタデーションＲ（ｈ、α）は次式で表せる。
【００３３】
0003568449.tif 000002
更にα＝７０°、β＝４５°のときの垂直配列領域１２ｂにおけるリタデーションＲ（ｖ、α）を計算する。このときの垂直配向領域１２ｂにおける異常光屈折率ｎｘｖ（α）は次式で表される。
【００３４】
ｎｘｖ（α）＝ｎｘ・ｎｙ／（ｎｘ２・ｃｏｓ２α’＋ｎｙ２・ｓｉｎ２α’）０．５
また常光屈折率ｎｙｖ（α）はｎｙｖ（α）＝ｎｙ、垂直配列領域１２ｂにおける光路ｄ（ｖ、α）はｄ（ｖ、α）＝ｄｖ／ｃｏｓα’で表せる。したがって垂直配列領域１２ｂにおけるリタデーションＲ（ｖ、α）は次式で表せる。
0003568449.tif 000003
ここでα＝７０°、β＝４５°の方向から見たときの投影された垂直配列の液晶分子４ｂの長軸方向と投影された水平配列の液晶分子４ａの長軸方向がなす角度γ３は約５２°になるので、液晶層のトータルのリタデーションＲ（α、β）は近似的に次式で表される。
【００３５】
0003568449.tif 000004
そしてＲ（α、β）＝０のときは、ｄｈ＝２．７１４ｄｖの関係が成り立つ。ここで液晶層全体のギャップ幅が５〜６μｍの場合は、ｄｖ＝１５８０ｎｍ、ｄｈ＝４２８９ｎｍに設定すればα＝７０°、β＝４５°の方向から見たときのリタデーションＲ（α、β）がほぼ０になり、この方向の視角依存性の小さい液晶表示装置が実現できる。なお、このときΔｎ・ｄｖ＝１３０、Δｎ・ｄｈ＝３５２になる。
【００３６】
こうして求めたギャップ幅ｄｖ、ｄｈになるように配向膜１ｃ、２ｃの配向アンカリングの強度を設定する。ここで求めたギャップ幅ｄｖ、ｄｈは液晶層３の液晶分子４が図５に示すように配列している場合の値である。しかし水平配列している液晶分子４ａはプレチルト角θで傾斜し、第１基板１から第２基板２までの液晶分子４は水平配列から垂直配列へ徐々に配列状態が変わっている。したがって求めたギャップ幅ｄｖ、ｄｈに設定した後で実験等により各ギャップ幅を適正値に調整することで、黒表示のときに光漏れが少なくコントラストを改善した液晶表示装置になる。
【００３７】
また、配向アンカリングの強度を求めたギャップ幅ｄｖ、ｄｈの条件を満たす範囲でできるだけ強くすれば、水平配列領域１２ａと垂直配列領域１２ｂの占める範囲が多くなり、水平配列から垂直配列に配列状態が変わる液晶分子４の領域を少なくすることができる。こうすれば液晶分子４の配列状態が図５に示す配列状態に近くなり、ギャップ幅ｄｖ、ｄｈの計算値が有効に活用できる。更に、こうして各ギャップ幅を設定した液晶表示装置に光学補償シートを追加すれば、更に視角依存性をなくすことができ、視角特性を向上させることができる。
【００３８】
この実施例ではα＝７０°、β＝４５°の場合を説明したが、本発明はこの方向に限定するものではなく、他の方向から斜めに上偏光板６を見たときに液晶層３のリタデーションがほぼ０になるように設定してもよい。ただしβ＝４５°の方向からの見たときが光漏れが多いので、βが４０度から５０度且つαが１０度から７０度に含まれる範囲のうちある方向から偏光板６を見たときに、液晶層３のリタデーションがほぼ０になるように設定すれば、光漏れが少なくなりコントラストが改善される。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、液晶分子が水平配列した領域と垂直配列した領域とを有する液晶層の液晶表示装置を偏光板の斜め方向から見たときに、水平配列領域の液晶分子のリタデーションと垂直配列領域の液晶分子のリタデーションが相殺するように設定しているので、斜め方向から見たときの光漏れを少なくし、視角特性を向上させることができる。
【００４０】
また、誘電率異方性が負の液晶にカイラル剤を添加し、一対の基板の配向膜に配向方向が直交する配向処理を施して、液晶層に電圧を印加したときに液晶層内で液晶分子が水平状態で且つ９０度捻れて配列することにより白表示にするので、ノーマリブラックモードのハイブリッド配列型液晶表示装置でも簡単な構成で白表示が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるノーマリブラックモードの液晶表示装置のオフ時における液晶分子の配列状態を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施例であるノーマリブラックモードの液晶表示装置のオン時における液晶分子の配列状態を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施例である液晶表示装置を側面から見たときの該略図である。
【図４】本発明の一実施例である液晶表示装置を偏光板の法線方向から見たときの概略図である。
【図５】本発明の図４のＡ’−Ａ’線に沿った液晶分子の配列状態を模式的に示した図である。
【図６】液晶分子を斜めから見たときの光路と液晶分子の位置関係を説明する図である。
【図７】従来の液晶表示装置を側面から見たときの該略図である。
【図８】従来の液晶表示装置を偏光板の法線方向から見たときの概略図である。
【符号の説明】
１    第１基板
１ｃ  配向膜
２    第２基板
２ｃ  配向膜
４    液晶分子
５    下偏光板
６    上偏光板
７ａ、７ｂ  配向方向
８ａ、８ｂ  透過軸
【図１】
0003568449.tif 000005
【図２】
0003568449.tif 000006
【図３】
0003568449.tif 000007
【図４】
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【図５】
0003568449.tif 000009
【図６】
0003568449.tif 000010
【図７】
0003568449.tif 000011
【図８】
0003568449.tif 000012