(57)【要約】【課題】  液晶表示装置における階調反転や色変化を軽減する。特に主視角方向の良視認領域を拡大する。【解決手段】  液晶表示装置は、液晶セル１と、液晶セル１を挟む一対の偏光素子２，３と、液晶セル１および下側（光源側）偏光素子３の間に介在し、正の屈折率楕円体を持つ複屈折層４とを有する。複屈折層４は、屈折率楕円体の面内遅相軸方向の屈折率をｎａ、面内進相軸方向の屈折率をｎｂ、厚み方向の屈折率をｎｃ、前記複屈折層の厚みをｄｐとすると、ｎｃ＞ｎａ≧ｎｂの関係を有している。また、（ｎａ−ｎｃ）・ｄｐで定義される、複屈折層の厚み方向の位相差値が０ｎｍより小さくかつ−３００ｎｍ以上に設定されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極がそれぞれ形成された一対の基板と、前記一対の基板間に介在するツイストネマティック液晶層と、前記一対の基板よりも視認者側に少なくとも配置された偏光素子と、前記液晶層および前記偏光素子の間に介在し、かつ正の屈折率楕円体を持つ少なくとも一層の複屈折層とを有する液晶表示装置であって、
前記複屈折層は、前記屈折率楕円体の面内遅相軸方向の屈折率をｎａ、面内進相軸方向の屈折率をｎｂ、厚み方向の屈折率をｎｃ、前記複屈折層の厚みをｄｐとすると、ｎｃ＞ｎａ≧ｎｂの関係を有しており、（ｎａ−ｎｃ）・ｄｐで定義される、前記複屈折層の厚み方向の位相差値が０ｎｍより小さくかつ−３００ｎｍ以上に設定されている液晶表示装置。
【請求項２】
前記液晶層は、前記液晶層に含まれるネマティック液晶材料の屈折率異方性と、前記液晶層の厚さとの積が３７０ｎｍ以上５３０ｎｍ以下に設定されている、請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項３】
前記複屈折層の面内遅相軸は、前記偏光素子の透過軸に対して直交または平行である、請求項１または２に記載の液晶表示装置。
【請求項４】
前記複屈折層の厚み方向の位相差値は、−１００ｎｍ以下かつ−３００ｎｍ以上に設定されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
【請求項５】
前記複屈折層の厚み方向の位相差値は、−１５０ｎｍ以下かつ−２５０ｎｍ以上に設定されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＴＮ（Twisted Nematic ）型の液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置は、低電圧、低消費電力であり、ＩＣ（集積回路）と直結でき、表示機能が多様で、軽量性等に優れるなどの多くの特長を有するので、ワードプロセッサやパーソナルコンピュータなどのＯＡ機器の表示手段として、さらにテレビジョン、カーナビゲーションモニタや航空機コックピット用モニタなどの種々の表示手段として、広く普及している。しかし、ＣＲＴ（陰極線管）ディスプレイに比べて良視認の視角範囲の狭さが指摘されて久しい。特に、主視角方向における階調反転や色変化は表示品位を著しく低下させる。
【０００３】
「主視角方向」とは、電圧を印加したとき最も見かけの位相差値が小さくなる方向である。例えば、電圧を印加して、液晶層の位相差値が小さくなったときに黒表示を行なうノーマリーホワイトモードでのＴＮ液晶表示装置では、黒表示時にて正面（表示面に対して法線方向）から見たときよりも位相差値が小さく見える視角方向が主視角方向である。具体的には、一方基板のラビング方向が−４５度、他方基板のラビング方向が−１３５度のとき、主視角方向は６時の方向（典型的には画面の下方向）となる。
【０００４】
主視角方向における階調反転や色変化は、液晶分子に特有の光学的異方性が視認性の視野角特性に影響して、偏光素子を介して液晶セルに入射した直線偏光が楕円偏光化したり、方位角が変化したりすることに、その原因があると考えられている。言い換えれば、液晶セルを透過した偏光状態の表示光を視認側の偏光素子にそのまま入射させると、正面（垂直）方向を基準とした見る角度が主視角方向へ増大するに伴って、液晶層の位相差値が変化するので、階調が反転したり、着色化等の色変化が生じたりするなどの視認性の低下を招くものと考えられている。
【０００５】
従来、液晶表示装置の良視認領域の拡大方法、すなわち視角範囲の拡大方法としては、位相差板を用いる方法が知られており、位相差板として種々のものが提案されている（例えば、特許文献１〜５）。
【０００６】
【特許文献１】特開平４−２２９８２８号公報
【０００７】
【特許文献２】特開平４−２５８９２３号公報
【０００８】
【特許文献３】特開平６−７５１１６号公報
【０００９】
【特許文献４】特開平６−１７４９２０号公報
【００１０】
【特許文献５】特開平６−２２２２１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１〜５に開示された方法によっても、主視角方向における階調反転や色変化の軽減は不十分であった。
【００１２】
本発明の目的の１つは、液晶表示装置における階調反転や色変化を軽減することであり、特に主視角方向の良視認領域を拡大することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、正の屈折率楕円体を持ち、厚み方向の位相差値が所定範囲に設定された複屈折層を用いることにより、上記課題を解決する。例えば透過型の液晶表示装置の場合、上側（視認側）偏光素子と下側（光源側）偏光素子との間に、少なくとも一層の複屈折層を配置する。複屈折層が二層以上の場合には、各複屈折層の厚み方向における位相差値の総和が所定範囲内に設定される。
【００１４】
本発明の液晶表示装置は、電極がそれぞれ形成された一対の基板と、前記一対の基板間に介在するツイストネマティック液晶層と、前記一対の基板よりも視認者側に少なくとも配置された偏光素子と、前記液晶層および前記偏光素子の間に介在し、かつ正の屈折率楕円体を持つ少なくとも一層の複屈折層とを有する液晶表示装置であって、前記複屈折層は、前記屈折率楕円体の面内遅相軸方向の屈折率をｎａ、面内進相軸方向の屈折率をｎｂ、厚み方向の屈折率をｎｃ、前記複屈折層の厚みをｄｐとすると、ｎｃ＞ｎａ≧ｎｂの関係を有しており、（ｎａ−ｎｃ）・ｄｐで定義される、前記複屈折層の厚み方向の位相差値が０ｎｍより小さくかつ−３００ｎｍ以上に設定されている。
【００１５】
本発明の液晶表示装置は、透過型に限らず、反射型や反射透過両用型のいずれのタイプにも適用することができる。透過型や反射透過両用型の場合には、一対の偏光素子が液晶セルを挟んで配置され、反射型の場合には、一つの偏光素子が液晶セルよりも視認者側に配置される。
【００１６】
前記液晶層は、前記液晶層に含まれるネマティック液晶材料の屈折率異方性と、前記液晶層の厚さとの積が３７０ｎｍ以上５３０ｎｍ以下に設定されていることが望ましい。これにより、正面方向から見たときに、白表示が色づきのない明るい白表示になる。
【００１７】
前記複屈折層の面内遅相軸は、前記偏光素子の透過軸に対して直交または平行であることが望ましい。直交または平行からずれると、正面方向における輝度やコントラストの低下、左右表示の非対称などの表示品位を損なうおそれがあるからである。
【００１８】
前記複屈折層の厚み方向の位相差値は、好ましくは−１００ｎｍ以下かつ−３００ｎｍ以上に、より好ましくは−１５０ｎｍ以下かつ−２５０ｎｍ以上に設定され得る。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、液晶表示装置の面に垂直な方向（正面方向）から主視角方向へ視角を傾けたときに生じる位相差変化を補償して、階調反転や色変化を軽減することができる。したがって、液晶表示装置の良視認領域を拡大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら本発明による実施形態を説明する。以下の実施形態では、透過型の液晶表示装置を例にして説明するが、本発明の液晶表示装置は、透過型に限らず、反射型や反射透過両用型のいずれのタイプにも適用することができる。また、本発明の液晶表示装置は、パッシブ（マルチプレックス）駆動型およびＴＦＴ(Thin Film Transistor)やＭＩＭ(Metal Insulator Metal) などを用いたアクティブ駆動型のいずれの駆動方式をも採用し得る。
【００２１】
図１は、本実施形態の液晶表示装置を模式的に示す断面図である。本実施形態の液晶表示装置は、液晶セル１と、液晶セル１を挟む一対の偏光素子２，３と、液晶セル１および下側（光源側）偏光素子３の間に介在する複屈折層４とを有する。液晶セル１は、一対の透明電極付ガラス基板５，６と、両基板５，６に挟まれた液晶層７とを有する。両基板５，６の液晶層７側には、ラビング処理された配向膜（不図示）がそれぞれ形成されている。液晶セル１は、公知の方法により製造することができる。
【００２２】
本実施形態における液晶層７は、ネマティック液晶材料を含むツイストネマティック（ＴＮ）液晶層である。ネマティック液晶材料の屈折率異方性Δｎｑと液晶層７の厚さｄｑとの積Δｎｑ×ｄｑは、３７０ｎｍ以上５３０ｎｍ以下に設定されている。液晶層７中の液晶分子は、ツイスト角が概ね９０度、典型的には８５度以上９５度以下に設定されている。
【００２３】
偏光素子２，３としては、所定の偏光状態の光を得ることができる適宜なものが用いられる。特に、直線偏光状態の透過光を得ることのできるものが好ましい。その例としては、親水性高分子フィルムにヨウ素および／または二色性染料を吸着させて延伸した偏光フィルム、ポリビニルアルコールの脱水処理物やポリ塩化ビニルの脱塩酸処理物の如きポリエン配向フィルムなどからなる偏光フィルムが挙げられる。親水性高分子フィルムとしては、ポリビニルアルコール系フィルムや部分ホルマール化ポリビニルアルコール系フィルム、エチレン・酢酸ビニル共重合体系部分けん化フィルムが挙げられる。
【００２４】
偏光素子２，３、例えば偏光フィルムは、その片側または両側に透明保護層を有するものであってもよい。その場合、透明保護層として所定の複屈折特性を示すものを用いて、本発明における複屈折層を兼ねさせることもできる。透明保護層は、プラスチックの塗布層や保護フィルムの積層物などとして適宜に形成される。その形成には、透明性や機械的強度、熱安定性、水分遮蔽性等に優れるプラスチックなどが好ましく用いられうる。その例としては、熱硬化型や紫外線硬化型の樹脂が挙げられる。例えば、ポリエステル系やアセテート系、ポリエーテルスルホン系、ポリカーボネート系、ポリアミド系、ポリイミド系、ポリオレフィン系、アクリル系、ウレタン系、アクリルウレタン系、エポキシ系、シリコーン系などの樹脂である。なお、透明保護層は、微粒子の含有によりその表面が微細凹凸構造に形成されていてもよい。これにより、光が散乱されるので、輝度が向上する。
【００２５】
複屈折層４は、正の屈折率楕円体を有する。図２は、屈折率楕円体を説明する図である。屈折率楕円体ＩＥの面内遅相軸方向の屈折率をｎａ、面内進相軸方向の屈折率をｎｂ、厚み方向の屈折率をｎｃ、複屈折層４の厚みをｄｐとすると、ｎｃ＞ｎａ≧ｎｂの関係を有する。また、（ｎａ−ｎｃ）・ｄｐで定義される厚み方向の位相差値が０ｎｍより小さくかつ−３００ｎｍ以上に設定されている。なお、本実施形態では、複屈折層４は単層であるが、複数の複屈折層が一対の偏光素子２，３間に介在していても良い。この場合、各複屈折層の厚み方向における位相差値の総和が、０ｎｍより小さくかつ−３００ｎｍ以上に設定される。
【００２６】
複屈折層４としては、複屈折による所定の位相差等を示す適宜なものが用いられ得る。特に、光透過性の各種フィルムを延伸処理等により複屈折性を付与したものや、液晶ポリマーの配向膜、あるいは基材の配向膜上等に液晶ポリマー等の異方性材料を配向させたものなどが好ましく用いられ得る。
【００２７】
また、透光性に優れるフィルムに複屈折性を付与したものが好ましい。具体的には、光透過率が７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは８５％以上のフィルムに複屈折性を付与する。透光性フィルムの材料としては、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリビニルアルコール、ポリオレフィン（ポリエチレンやポリプロピレン）、セルロース系ポリマー（トリアセチルセルロースなど）、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリアミドなどが特に好ましい。
【００２８】
透光性フィルムに複屈折性を付与するための処理（配向処理）としては、例えば、自由端または固定端による一軸延伸処理や二軸延伸処理などの適宜な方式が挙げられる。配向処理が施されるフィルムとしては、厚さ方向に配向したフィルム、厚さ方向における主屈折率の方向がフィルム面の法線方向に対して傾斜したフィルムが用いられ得る。延伸方式や延伸条件等の配向処理条件の制御、形成材料の変更などによって、複屈折による位相差特性を調節できるので、上記範囲の位相差値を有する複屈折層４を形成することができる。なお、複屈折層４は単層に限らず、複数の複屈折層により所定の位相差特性を示すように形成されたものであってもよい。
【００２９】
良視認領域を拡大するには、複屈折層４は、厚み方向の位相差値を−１００ｎｍ以下−３００ｎｍ以上、特に−１５０ｎｍ以下−２５０ｎｍ以上に設定することが望ましい。−１００ｎｍより大きい場合には、階調反転の軽減効果が少なくなる。一方、−３００ｎｍより小さい場合には、主視角方向における視角を正面（垂直方向）から４０度以上傾けたとき、表示品位が急激に低下したり、左右の視角が狭くなったりなどの弊害が生じる。
【００３０】
本実施形態の液晶表示装置において、実用的な視角範囲は上下左右４０度程度である。複屈折層４を含まない液晶表示装置の場合、主視角方向４０度において印加電圧２．４Ｖで階調反転が起こる。一般に、透過型ＴＮ液晶表示装置で用いられる黒表示電圧は４．２Ｖ程度であるので、２．４Ｖ以上の電圧では非常に表示品位が悪化する（比較例２および図１２参照）。また、３．０Ｖ付近で、透過率にピークがあるので中間調の表示品位も非常に悪い。
【００３１】
厚み方向の位相差値を小さくするに従って、階調反転の起こる電圧は大きくなり、階調反転の起こる電圧の領域は少なくなり、３．０Ｖ付近のピークもなくなる。具体的には、厚み方向の位相差値が−１５０ｎｍ程度のとき、３．０Ｖ付近の透過率ピークは略なくなる。しかし、黒表示時（電圧４．２Ｖ印加時）の透過率は厚み方向の位相差値が−１５０ｎｍ程度までは減少するが、それより小さくなるとかえって透過率は高くなるので、黒表示時の表示品位が低下する。−２５０ｎｍ付近で、複屈折層を含まない表示装置の透過率を超える。したがって、厚み方向の位相差値は−１５０ｎｍ以下−２５０ｎｍ以上が特に望ましい（図１３参照）。
【００３２】
複屈折層４の面内遅相軸ｎａが偏光素子２，３の透過軸に平行または直交になるように配置することが望ましい。偏光素子２，３との角度が平行または直交からずれると、正面方向における輝度やコントラストの低下、左右表示の非対称などの表示品位を損なうおそれがある。
【００３３】
複屈折層４は、液晶セル１の視角特性を複屈折により補償する。複屈折層４の形成は、液晶表示装置の製造過程で、複屈折層４を液晶セル１内に作りこむ方式や、予め複屈折層４を含んだ偏光素子２，３を組み合せる方式などの適宜な方式で行なうことができる。特に、後者の積層化方式が、品質の安定性や積層作業性等に優れているので、液晶表示装置の製造効率を向上させうる利点などがある。いずれの方式においても、複屈折層４は一対の偏光素子２，３の間に介在する任意の層にて、上記位相差値を示すものであればよい。
【００３４】
偏光素子２，３と複屈折層４との積層に際しては、必要に応じて接着剤等を介して接着固定することができる。接着固定は、軸関係のズレ防止等の利点があるので好ましい。接着剤としては、適宜な接着剤を用いることができる。例えばアクリル系やシリコーン系、ポリエステル系、ポリウレタン系、ポリエーテル系、ゴム系等の透明な感圧接着剤などであり、その種類について特に限定はない。光学特性の変化を防止する点から、硬化や乾燥の際に高温のプロセスを要しないものが好ましく、また長時間の硬化処理や乾燥を要しないものが望ましい。さらに、加熱や加湿条件下に剥離等を生じないものが好ましい。
【００３５】
かかる点から、重量平均分子量が１０万以上で、ガラス転移温度が０℃以下のアクリル系ポリマーからなるアクリル系感圧接着剤が特に好ましく用いられ得る。アクリル系ポリマーのモノマー成分としては、（メタ）アクリル酸ブチル、（メタ）アクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸エチル、（メタ）アクリル酸が例示される。また、アクリル系感圧接着剤は、透明性や耐候性、耐熱性などに優れているので好ましい。なお、屈折率が異なるものを積層する場合には、両者の中間の屈折率を有する接着剤を用いることが、反射損の抑制などの点から好ましい。
【００３６】
接着剤には、必要に応じて、例えば天然物や合成物の樹脂類、ガラス繊維、ガラスビーズ、金属粉やその他の無機粉末等からなる充填剤、顔料、着色剤、酸化防止剤などの適宜な添加剤を配合することもできる。また、微粒子を含有させて光拡散性を示す接着剤層とすることもできる。
【００３７】
偏光素子２，３や複屈折層４、透明保護層、接着剤層などの各層は、例えばサリチル酸エステル系化合物やベンゾフェノール系化合物、ベンゾトリアゾール系化合物、シアノアクリレート系化合物、ニッケル錯塩系化合物等の紫外線吸収剤で処理するなどして、紫外線吸収能をもたせることもできる。
【００３８】
（実施例１）
図３は、実施例１の液晶表示装置を模式的に示す断面図である。液晶表示装置は、一対の透明電極基板５，６に挟まれた液晶層７を有する液晶セル１と、液晶層７を挟んで配置される第１および第２偏光素子２，３と、第２偏光素子３と液晶層７の間に介在し、液晶ポリマーを薄膜化、配向することによって形成された、正の屈折率楕円体を持つ複屈折層４とを備える。なお、第１および第２偏光素子２，３は、典型的には、それぞれの偏光軸（透過軸）が互いに直交するように配置（いわゆるクロスニコル配置）されている。
【００３９】
液晶層７はネマティック液晶材料を封入して形成され、液晶層７中に含まれる液晶分子は、ツイスト角が９０度に設定されている。ネマティック液晶材料の屈折率異方性Δｎｑと液晶層の厚さｄｑとの積Δｎｑ×ｄｑが４５０ｎｍの値に設定されている。複屈折層４は、その屈折率楕円体の面内遅相軸方向の屈折率をｎａ、面内進相軸方向の屈折率をｎｂ、厚み方向の屈折率をｎｃ、複屈折層４の厚みをｄｐとして、ｎｃ＞ｎａ＝ｎｂであり、かつ（ｎａ−ｎｃ）・ｄｐで定義される厚み方向の位相差値が−５０ｎｍに設定されている。
【００４０】
偏光素子２，３は、８０μｍ厚のポリビニルアルコールフィルムをヨウ素水溶液中で５倍に延伸処理したのち乾燥させて得られる。偏光素子２，３の片面に、厚さ１５μｍのポリビニルアルコール系接着剤層（不図示）を介して、トリアセチルセルロースフィルムの支持体８，９が接着されている。
【００４１】
液晶ポリマーからなる複屈折層４は、ラビング処理を施した基材フィルム上に、正の屈折率楕円体の液晶材料を塗布、固定して形成される。この複屈折層４を、第２偏光素子３のトリアセチルセルロースフィルム支持体９に対して反対側の面に転写する。これらの構成により、ノーマリーホワイトモードの透過型ＴＮ液晶表示装置が得られた。
【００４２】
（実施例２〜６）
実施例１における複屈折層４の厚み方向の位相差値を−１００ｎｍ（実施例２）、−１５０ｎｍ（実施例３）、−２００ｎｍ（実施例４）、−２５０ｎｍ（実施例５）、−３００ｎｍ（実施例６）に変更した以外は、実施例１に準じて液晶表示装置を得た。
【００４３】
（比較例１および２）
比較例１として、実施例１における複屈折層４の厚み方向の位相差値を−３５０ｎｍに変更した以外は、実施例１に準じて液晶表示装置を得た。また、比較例２として、複屈折層４を配置しない以外は、実施例１に準じて液晶表示装置を得た。図４は、比較例２の液晶表示装置を模式的に示す断面図である。
【００４４】
（評価試験）
実施例１〜７および比較例で得た透過型ＴＮ液晶表示装置を用いて、主視角方向における正面（垂直方向）からの観測角度の傾きに対する階調反転を調べた。その結果を図５〜図１３に示した。図５〜図１２はそれぞれ実施例１〜実施例６ならびに比較例１および比較例２の印加電圧−透過率曲線である。図中の角度（０°〜４０°）は、正面を０°として主視角方向に観測位置をたおした角度を表している。図１３は、視角を主視角方向に４０°傾けた位置での各実施例および各比較例の電圧−透過率曲線である。
【００４５】
図５〜図１３から、以下の事項が判明した。比較例１では、黒表示時（印加電圧４．２Ｖ）付近での透過率が大きいので、良好な黒表示が得られない（図１１および図１３参照）。また、比較例２では、中間調（印加電圧３．０Ｖ）付近に透過率のピークがあるので、中間調の表示品位が良好でない（図１２および図１３参照）。実施例１では、比較例２と比べて、中間調付近での階調反転の改善が認められたが、改善効果は十分ではない。したがって、厚み方向の位相差値は−１００ｎｍ以下−３００ｎｍ以上が望ましい。特に、−１５０ｎｍ以下−２５０ｎｍ以上の領域では、中間調（印加電圧３．０Ｖ）付近にピークがないので、中間調の表示品位が改善される。また、黒表示時（印加電圧４．２Ｖ）付近での透過率が比較例２と同程度以下であるので、良好な黒表示が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の液晶表示装置は、透過型や反射型、反射透過両用型の液晶表示装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施形態の液晶表示装置を模式的に示す断面図である。
【図２】屈折率楕円体を説明する図である。
【図３】実施例１の液晶表示装置を模式的に示す断面図である。
【図４】比較例２の液晶表示装置を模式的に示す断面図である。
【図５】実施例１の印加電圧−透過率曲線である。
【図６】実施例２の印加電圧−透過率曲線である。
【図７】実施例３の印加電圧−透過率曲線である。
【図８】実施例４の印加電圧−透過率曲線である。
【図９】実施例５の印加電圧−透過率曲線である。
【図１０】実施例６の印加電圧−透過率曲線である。
【図１１】比較例１の印加電圧−透過率曲線である。
【図１２】比較例２の印加電圧−透過率曲線である。
【図１３】視角を主視角方向に４０°傾けた位置での各実施例および各比較例の電圧−透過率曲線である。
【符号の説明】
【００４８】
１  液晶セル
２  第１偏光素子
３  第２偏光素子
４  複屈折層
５，６  透明電極付ガラス基板
７  液晶層
８，９  トリアセチルセルロースフィルム支持体
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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