(57)【要約】【課題】ＴＮ液晶により生じる位相差を高精度に補償する位相差補償素子を提供する。【解決手段】本発明の位相差補償素子は、円盤状液晶分子１３を配向して固定化したディスコティック液晶層からなる。飽和電圧が印加された状態のＴＮ液晶層は、中央部に垂直配向領域２ａ、基板近傍にハイブリッド配向領域２ｂが生じる。垂直配向領域２ａとハイブリッド配向領域２ｂの棒状液晶分子１３は、電圧無印加状態のツイスト配向に起因したねじれをそれぞれ有している。ディスコティック液晶層は、垂直配向領域２ａによる位相差を補償するツイスト垂直配向部１７と、ハイブリッド配向領域２ｂによる位相差を補償するツイストハイブリッド配向部１６，１８を有しており、ＴＮ液晶による位相差を高精度に補償する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状液晶分子からなるＴＮ液晶層とこれを保持する一対の基板とを備えた液晶セルに組み合わせて用いられ、前記ＴＮ液晶層を透過する光の位相差を補償する位相差補償素子において、
円盤状液晶分子の配向状態を固定化したディスコティック液晶層からなり、前記ＴＮ液晶層に飽和電圧を印加した際の棒状液晶分子の配向状態と合致するように、前記円盤状液晶分子がねじれ配向していることを特徴とする位相差補償素子。
【請求項２】
前記ディスコティック液晶層は、前記ＴＮ液晶層に飽和電圧を印加した際にハイブリッド配向する棒状液晶分子のチルト角及び方位角に対応して配向させた円盤状液晶分子からなるツイストハイブリッド配向部を有することを特徴とする請求項１記載の位相差補償素子。
【請求項３】
前記ディスコティック液晶層は、前記ＴＮ液晶層に飽和電圧を印加した際に略垂直配向する棒状液晶分子のチルト角及び方位角に対応して配向させた円盤状液晶分子からなるツイスト垂直配向部を有することを特徴とする請求項１記載の位相差補償素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＴＮ液晶層が一対の基板に保持された液晶セルに用いられ、ＴＮ液晶層を透過する光の位相差を高精度に補償する位相差補償素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ツイストネマティック（ＴＮ）液晶は、電圧が印加されない電圧無印加状態では、構成要素となる棒状液晶分子が、その長軸が基板と平行であり、かつ液晶層の厚さ方向に対して長軸の方位が徐々に変化して全体として９０度ねじれて配向している。この配向状態はツイスト配向と呼ばれる。ＴＮ液晶層は一対の基板の間に保持され、ＴＮ液晶層と一対の基板からなる液晶セルは一対の偏光板の間に設けられる。例えば、一対の偏光板がその吸収軸を互いに直交させたクロスニコルで配置されると、液晶セルはノーマリーホワイトモードの液晶表示装置として機能する。
【０００３】
ＴＮ液晶の作用を原理的に説明すると、電圧無印加状態では、棒状液晶分子のねじれに従って、入射側の偏光板を通過した直線偏光の入射光の偏光方向を９０度回転させる。これにより、ＴＮ液晶層を透過した光は出射側の偏光板を通過し、白が表現される。一方、電圧印加状態では、棒状液晶分子が基板と平行に配向した状態から基板と略垂直な方向に配向した状態に変化する。垂直配向した棒状液晶分子は、入射側の偏光板を通過した直線偏光の入射光の偏光方向を変えないので、ＴＮ液晶層を透過した光は出射側の偏光板で遮断され、黒が表現される。しかし、厳密には液晶分子の実際の配向状態はこのように単純化されたものではなく、以下に説明する配向状態となっている。
【０００４】
電圧印加状態における棒状液晶分子は、液晶層の厚さ方向の中央部分では基板に対してほぼ垂直方向に配向するが、基板に最も接近した液晶分子は、電圧無印加状態における配向状態と同様に基板に対して平行又はほぼ平行な配向状態をとる。つまり、ＴＮ液晶層には、基板に対して垂直方向に配向した液晶分子と、基板とほぼ平行な配向状態の液晶分子とが混在し、基板近傍では液晶層の厚さ方向に棒状液晶分子の基板面に対する傾斜角（チルト角）が変化したハイブリッド配向状態をとる。
【０００５】
更に、電圧印加状態の棒状液晶分子は、チルト角が液晶層の厚さ方向に変化するハイブリッド配向状態となるとき、チルト角のみが異なる完全なハイブリッド配向状態にはならず、電圧無印加状態におけるツイスト配向によるねじれが残っている。液晶層の厚さ方向の中央部分で液晶分子が略垂直配向した領域では、僅かに残っている傾斜が約９０°回転しながらねじれ配向している。
【０００６】
ハイブリッド配向した棒状液晶分子は、基板面の法線方向に対して傾いた角度で入射した直線偏光の光をその複屈折作用によって楕円偏光に変えるので、本来遮断されるべき光の一部が出射側の偏光板を通過してしまうことになる。また、棒状液晶分子が垂直に配向していても、基板面の法線方向に対して傾いた角度で入射した直線偏光の光は、棒状液晶分子の長軸方向に対して斜めに入射してその複屈折作用により楕円偏光となり、一部の光が出射側の偏光板を通過してしまうことになる。これらの光は、正面方向及び斜め方向における液晶表示装置のコントラストを低下させ、画像が正常に見える範囲を示す視野角を狭くする。
【０００７】
このようなＴＮ液晶層の複屈折作用による画質低下を改善し、コントラストの向上及び視野角の拡大を図るためのものとして、透明支持体上にディスコティック液晶性化合物からなる光学異方性層が設けられた位相差補償素子が知られている（特許文献１参照）。光学異方性層は、ＴＮ液晶と極性の異なる複屈折性を有するディスコティック液晶性化合物を含む組成物を配向膜上に塗布し、ネマティック相を示す温度に加熱してディスコティック液晶性化合物をハイブリッド配向させ、その配向状態を固定化することにより形成される。ハイブリッド配向したディスコティック液晶性化合物から作成した光学異方性層は、電圧印加時におけるＴＮ液晶層のハイブリッド配向した部分を透過した光に生じる位相差を補償し、楕円偏光の発生を防止するので偏光板による光の遮断率が高まり、その結果としてコントラストの向上、視野角の拡大を図ることができる。
【特許文献１】特開２００５−２１５３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、電圧印加状態の棒状液晶分子は、チルト角が液晶層の厚さ方向に変化するハイブリッド配向状態となるとき、電圧無印加状態におけるツイスト配向によるねじれが残り、チルト角のみが異なる完全なハイブリッド配向状態にはならないため、従来の位相差補償素子では精密に位相差を補償することができないという問題がある。さらに、液晶層の厚さ方向の中央部分の領域で略垂直配向した棒状液晶分子は、傾斜の方向が約９０°変化するようにねじれ配向しており、これによって生じる位相差は従来の位相差補償素子では精密に補償することができないという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記問題点を考慮してなされたもので、従来よりも位相差補償の精度が高く、液晶表示装置のコントラストを向上し、視野角を広くすることのできる位相差補償素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、棒状液晶分子からなるＴＮ液晶層とこれを保持する一対の基板とを備えた液晶セルに組み合わせて用いられ、前記ＴＮ液晶層を透過する光の位相差を補償する位相差補償素子において、円盤状液晶分子の配向状態を固定化したディスコティック液晶層からなり、前記ディスコティック液晶層は、前記ＴＮ液晶層に飽和電圧を印加した際の棒状液晶分子の配向状態と合致するように、前記円盤状液晶分子がねじれ配向していることを特徴とする。
【００１１】
前記ディスコティック液晶層は、前記ＴＮ液晶層に飽和電圧を印加した際にハイブリッド配向する棒状液晶分子のチルト角及び方位角に対応して配向させた円盤状液晶分子からなるツイストハイブリッド配向部を有することを特徴とする。
【００１２】
前記ディスコティック液晶層は、前記ＴＮ液晶層に飽和電圧を印加した際に略垂直配向する棒状液晶分子のチルト角及び方位角に対応して配向させた円盤状液晶分子からなるツイスト垂直配向部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ＴＮ液晶層に電圧が印加された状態で、棒状液晶分子の残留するねじれに対応してディスコティック液晶性化合物をねじれ配向させているから、従来よりも精密な位相差補償が可能となり、液晶表示装置のコントラストを向上させ、視野角の拡大を図ることができる。
【００１４】
また、電圧印加状態でハイブリッド配向した棒状液晶分子の配向状態と整合するように、円盤状液晶分子をその長軸の方位角が変化するようにねじりを与えてハイブリッド配向させたツイストハイブリッド配向部を有しているから、ハイブリッド配向した棒状液晶分子により生じる位相差を精密に補償することができ、液晶表示装置のコントラスト向上、視野角拡大を図ることができる。
【００１５】
また、ディスコティック液晶性化合物の各分子をねじりながら略垂直配向させているから、電圧印加状態でねじれながら略垂直配向した棒状液晶分子の配向状態に合わせて精密に位相差を補償することができ、液晶表示装置のコントラスト向上、視野角拡大を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の位相差補償素子を用いた液晶表示装置は、原理的に図１のように構成される。ＴＮ液晶層２の光入射面側と光出射面側には、それぞれ偏光板３，４が設けられ、互いの吸収軸が直交したクロスニコルで配置されている。偏光板３は照明光を直線偏光に変換する偏光子となり、偏光板４はＴＮ液晶層２で変調された出射光のうち、偏光方向が合致した一部の光を出射させ、逆に偏光方向が直交する光を遮断する検光子となる。
【００１７】
ＴＮ液晶層２と偏光板４との間に本発明の位相差補償素子６が組み込まれる。ＴＮ液晶層２の液晶分子は複屈折作用をもち、表示する画像情報に従って配向姿勢が制御され、照明光の入射角に応じて直線偏光を様々な楕円偏光にして出射する。位相差補償素子６は液晶分子の複屈折作用によって生じた常光と異常光との間の位相差の角度依存性を補償し、同じ又はほぼ同じの楕円偏光に変換する作用をする。
【００１８】
ＴＮ液晶層２は、一対の透明な基板１０及び基板１１の間に保持されている。基板１０及び基板１１の内側には、ＴＮ液晶層２に電圧が印加されない状態における棒状液晶分子１３の配向姿勢を決める配向膜（図示なし）がそれぞれ設けられている。配向膜は、基板１０及び基板１１に平行で、かつ９０°のツイスト角を与えるように方位角を異ならせて棒状液晶分子１３を配向させる。偏光板３，４は、その吸収軸が基板１０及び１１に最も近い棒状液晶分子１３の配向する方向とそれぞれ直交するように配置している。これにより、図２に示すように、電圧無印加状態では、入射側の偏光板３を通過して直線偏光となった入射光は、棒状液晶分子１３のねじれに沿ってその偏光方向が９０度回転し、出射側の偏光板４を通過することができるので、白表示状態となる。
【００１９】
図３において、飽和電圧が印加された状態のＴＮ液晶層２は、棒状液晶分子１３が垂直に配向する垂直配向領域２ａと、基板面に対する棒状液晶分子１３の傾斜角度（チルト角）が層の厚さ方向に連続的に変化しているハイブリッド配向領域２ｂとが生じる。垂直配向領域２ｂはＴＮ液晶層２の中央部で生じ、ハイブリッド配向領域２ｂは基板１０及び基板１１の近傍で生じる。垂直配向領域２ａでは棒状液晶分子１３が基板面とほぼ垂直であり、僅かにねじれ配向している。なお、本明細書では、この配向状態をツイスト垂直配向と呼ぶ。ハイブリッド配向領域２ｂでは、基板１０及び基板１１に近づくほど棒状液晶分子１３の長軸が基板面と平行に配向しており、棒状液晶分子１３がチルト角を変えながらねじれ配向している。なお、本明細書では、この配向状態をツイストハイブリッド配向と呼ぶ。なお、垂直配向領域２ａと２つのハイブリッド領域２ｂは、明確な境界は無く、全て連続している。これらの領域は、ＴＮ液晶層の全体の厚さを約１／３に３分割した程度の厚さをそれぞれ有していると扱って差し支えない。
【００２０】
図４において、位相差補償素子６は、支持体上にディスコティック液晶層１６が設けられた構造を有している。ディスコティック液晶層１６は、円盤状の分子構造を有するディスコティック重合性液晶化合物を含む組成物を配向膜上に塗布し、ネマティック配向温度よりも高い温度に加熱してこれを配向させ、その配向状態を固定することにより形成される。ディスコティック液晶層１６は、下層側のツイストハイブリッド配向部１７と、中央部のツイスト垂直配向部１８と、上層側のツイストハイブリッド配向部１９とからなり、各部の間に円盤状液晶分子２０を所定方向へ配向させるための配向膜（図示なし）が設けられている。
【００２１】
ＴＮ液晶層２の棒状液晶分子１３は、その長軸方向が光学異方性を示さない軸１３ａであり、軸１３ａの斜め方向からの入射光には正の位相差を与え、軸１３ａと垂直な方向からの入射光に最大の位相差を与える。また、円盤状液晶分子２０は、その厚さ方向が光学異方性を示さない軸２０ａであり、軸２０ａの斜め方向からの入射光に負の位相差を与え、軸２０ａと垂直な方向からの入射光には最大の位相差を与える。
【００２２】
ディスコティック液晶層１６は、ツイストハイブリッド配向部１７及び１９と、ツイスト垂直配向部１８とによって、電圧印加状態におけるＴＮ液晶層２の棒状液晶分子の配向状態と、円盤状液晶分子２０の配向状態とがほぼ同一に構成されている。したがって、ＴＮ液晶層２を透過して正の位相差が与えられた入射光は、ディスコティック液晶層１６を透過することで負の位相差が与えられ、全体として入射光の位相差が補償される。
【００２３】
下層側のツイストハイブリッド配向部１７は、基板１０の近傍における棒状液晶分子１３の軸１３ａと同じ方向の軸２０ａを有する円盤状液晶分子２０が存在するように配向している。すなわち、電圧印加状態でねじれを有するハイブリッド配向状態の棒状液晶分子１３と同様に、円盤状液晶分子２０は、ねじれを有するハイブリッド配向状態で固定化されている。また、上層側のツイストハイブリッド配向部１９は、基板１１の近傍における棒状液晶分子１３の配向状態と同様に、円盤状液晶分子２０がねじれを有するハイブリッド配向状態で固定化されている。ツイスト垂直配向部１８は、円盤状液晶分子２０の配向状態が、電圧印加時にＴＮ液晶層２の中央部に分布する棒状液晶分子１３と同様である。円盤状液晶分子２０はねじれを有する垂直配向状態で固定化されている。
【００２４】
次に、位相差補償素子６の作用について説明する。ＴＮ液晶層２に飽和電圧が印加されると、ツイスト配向していた棒状液晶分子１３は電場により配向状態が変化し、ＴＮ液晶層２の中央部には垂直配向領域２ａが生じ、基板１０と基板１１の近傍にはハイブリッド配向領域２ｂが生じる。偏光板３に入射した光源からの光は、直線偏光の光となって基板１０を透過し、ＴＮ液晶層２に入射する。ＴＮ液晶層２に入射した光は、基板１０側のハイブリッド配向領域２ｂ、中央部の垂直配向領域２ａ、基板１１側のハイブリッド配向領域２ｂを順次通過する。
【００２５】
ＴＮ液晶層２に入射した光のうち、基板面に対して垂直に入射した光線は、ハイブリッド配向領域２ｂを通過する際に、軸１３ａの向きが基板上の配向方向と平行でない棒状液晶分子１３によって正の位相差が与えられる。垂直配向領域２ａを通過する際にも棒状液晶分子１３の僅かなねじれに起因して、軸１３ａが基板面と垂直でない棒状液晶分子１３によって入射光線に小さな正の位相差が与えられる。また、基板面に対して斜めに入射した光線は、垂直配向領域２ａとハイブリッド配向領域２ｂとを通過する際に、棒状液晶分子１３の軸１３ａとの違いに基づいて正の位相差が与えられる。ＴＮ液晶層２を通過して正の位相差が与えられた入射光は、直線偏光の入射光から楕円偏光に変化する。
【００２６】
ＴＮ液晶層２を透過した入射光は、位相差補償素子６に入射する。基板面に対して垂直にＴＮ液晶層２を通過した光線は、基板１０側のハイブリッド配向領域２ｂで生じた位相差がツイストハイブリッド配向部１７により補償される。また、垂直配向領域２ａで生じた位相差がツイスト垂直配向部１８により補償される。基板１１側のハイブリッド配向領域２ｂで生じた位相差がツイストハイブリッド配向部１９により補償される。同様にして、基板面に対して斜めにＴＮ液晶層２を透過した光線は、ＴＮ液晶層２と位相差補償素子６を通過する角度が同じであるため、垂直配向領域２ａ及びハイブリッド配向領域２ｂでそれぞれ生じた位相差が、ツイスト垂直配向部１８及びツイストハイブリッド配向部１７、２０を通過する際に補償される。
【００２７】
ＴＮ液晶層２を通過した際に楕円偏光となった入射光は、位相差補償素子６を通過することで直線偏光の入射光として元に戻る。このようにして、位相差補償素子６を通過した光は、電圧印加状態のＴＮ液晶層２を通過する際にその偏光方向が変えられないので、入射時と同じ偏光方向の直線偏光の光として偏光板４に到達する。偏光板４の吸収軸と入射光の偏光方向が同じであるため、入射光は偏光板４により遮断される。入射光は、ＴＮ液晶層２で生じた位相差が位相差補償素子６により高精度に補償されているため、偏光板４の外部に光が漏れ出る量は極めて小さくなり、黒のコントラスト比、視野角特性が高められる。
【００２８】
このように、本発明の位相差補償素子は、飽和電圧が印加されたオン状態のＴＮ液晶層の棒状液晶分子の配向状態を考慮して、円盤状液晶分子をねじれ配向させたディスコティック液晶層により構成しているから、従来のＴＮ液晶分子のチルト角のみを考慮した位相差補償素子に比べてＴＮ液晶分子の方位角に関する配向状態を考慮した位相差補償を行うから、コントラスト比の向上、視野角の拡大を図ることができる。
【００２９】
なお、本発明の位相差補償素子は、上記実施形態に限られず、適宜の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、支持体上にツイスト垂直配向部１８とツイストハイブリッド配向部１９とを積層した一体のシート状に形成しているが、例えば、支持体としてＴＮ液晶層２を保持する透明な基板１０及び１１を利用して各基板と一体の位相差補償素子として形成してもよい。また、本発明の位相差補償素子は、ツイストハイブリッド配向部１７及び１９と、ツイスト垂直配向部１８とを備えるものに限らず、ツイストハイブリッド配向部１７及び１９のみを備える位相差補償素子や、ツイスト垂直配向部１８のみを備える位相差補償素子として構成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明を使用する液晶表示装置の概念図である。
【図２】電圧無印加状態のＴＮ液晶層を示す概念図である。
【図３】電圧印加状態のＴＮ液晶層を示す概念図である。
【図４】ディスコティック液晶層の円盤状液晶分子とＴＮ液晶層の棒状液晶分子との配向状態の対応関係を示す概念図である。
【符号の説明】
【００３１】
２  ＴＮ液晶層
２ａ  垂直配向領域
２ｂ  ハイブリッド配向領域
３，４  偏光板
６  位相差補償素子
１３  棒状液晶分子
１３ａ  軸
１６  ディスコティック液晶層
１７  ツイストハイブリッド配向部
１８  ツイスト垂直配向部
１９  ツイストハイブリッド配向部
２０  円盤状液晶分子
２０ａ  軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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