23

広視野角位相差フィルム用高分子材料の開発
豊猪春
土山

増飼成
井川信之陽 二 郎
武亨
浩

Development of Negative Birefringence Polymeric Material for Novel
Wide Viewing Angle Retardation Films.
Shinsuke TOYOMASU
Yojiro IKAI
Takeshi HARUNARI
Toru DOI
Hiroshi YAMAKAWA
Improving viewing angles of LCDs is a technical issue of great importance, which improving requires
retardation films with negative birefringence. In this paper, N-substituted maleimide based copolymer (OPN)
films showing negative birefringence are prepared and the optical properties are evaluated. The stacked bilayer
films consisting of OPN and polycarbohate films exhibit the retardation independent of viewing angle. The OPN
therefore provides a novel retardation film improving viewing angles of LCD-TVs, mobile phones, etc.

及び広視野角位相差フィルムへの応用例を報告する。

1．はじめに近年、液晶ディスプレイ（LCD）の市場は急速に2．LCDの基本構造と視野角依存性2)拡大しつつあるが、応答速度、輝度、コントラスト、LCDの基本構造をFig.１に示す。

視野角改良による高性能化が求められている。特に、LCDの視野角特性は（１）位相差の視野角依存性、液晶ＴＶをはじめとする大画面のLCDにおいては視及び（２）偏向板からの光漏れにより決まる。先ず、

野角改良が重要な課題になっている。

位相差の視野角依存性について説明する 。透過型

LCDの視野角を改良するためには、位相差フィル

LCDを正面から見た場合、バックライトは偏光板をムなどの光学補償フィルムを用いる方法が知られてお通過した後、直線偏光となる。この直線偏光は、そのり、これまでに、様々な位相差フィルムが提案されて後、液晶層及び偏光板を通過し、我々はこの状態を明いる。その中で、更なる視野角の改良のため、負の複状態として観測する。ここで、液晶分子によって構成屈折性を示す高分子材料を用いた位相差フィルムが提される液晶層は光学異方性を示し、見る方向によって案されているが、現状、光学特性、耐熱性等の点で必複屈折が変化することから視野角依存性が生じる。

ずしも顧客要求を満足しているとは言えない。そこで、

また、光漏れ現象は、以下の様に説明されている。

我々は、耐熱性に優れるN−置換マレイミド共重合体

LCDに用いられている２枚の偏光板を正面から見たを基本骨格として、負の複屈折性を示すフィルム用材

場合、これら偏向板の偏光軸は直交しており暗状態を料OPNを開発した1)。本報告では、OPNの光学特性、示す。一方、偏光軸から45°傾いた方向から観察する（ 23 ）

24

TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.48（2004）

現在、位相差フィルムに用いられているポリカーボ
ネート（PC）や環状オレフィン樹脂は正の複屈折性材料である。一方、負の複屈折性材料としてポリメチ
Polarizer

ルメタクリレート（PMMA）やポリスチレン（PS）

Retarder filmなどが知られているが耐熱性が不十分である。その為、Glass substrate

LCD用フィルムとして実用化に至っておらず、PCフ
ィルムを厚み方向へ特殊な方法により延伸させたもの 13-14)、及 び フ ル オ レ ン 骨 格 を 導 入 し た P C フ ィ ル

Liquid crystal

ム15-16)などが新たに提案されている。

3．実

Glass substrate
Retarder film

験［1］ターゲットポリマーの合成

Polarizer

我々は、負の複屈折性材料として分子設計の自由度が高いN−置換マレイミド共重合体（Fig.３）を基本骨格に選定した。更に、ポリマーの分子鎖軸に直交する方向に大きな分極を示す種々のN−置換基を導入したマレイミド共重合体を合成した。

Fig.１

Structure of liquid crystal displays［2］試料の調製合成したＮ−置換マレイミド共重合体を塩化メチレと偏光軸の見かけの交差角度が90°より大きくなるたンに溶解し、溶液キャスト法によりフィルムを作成しめ光漏れを生じる。

た。このフィルムを物性評価、及び各種延伸評価に供

上記のようなLCDの視野角依存性を改良する方法した。フィルムはガラス転移温度（Tg）近傍の145〜として、液晶の駆動モード自体を改良する方法の他、160℃において、延伸速度５〜100mm/min.、延伸倍偏光フィルムや位相差フィルムを始めとする光学補償率1.5〜３倍の範囲において一軸、或いは二軸延伸しフィルムを用いる方法

2-10)が提案されている。位相差フィルムを利用する方法では、負の複屈性フィルムの利用が有効であることが報告されている

4,5,6)た。延伸には二軸延伸装置（株式会社井元製作所製）
を用いた。

。

位相差フィルムに利用されるポリマー材料には正ま［3］物性測定

たは負の複屈折性がある。分子中の分極異方性が異なガラス転移温度はDSC（セイコー電子工業株式会社

る２種類のポリマー（Fig.２）は、未延伸状態では光製DSC2000）を用いて測定した。全光線透過率及びヘ学的に等方性であり、どちらも複屈折を示さないが、ーズ値はJIS K7361-1及びK7136に準拠し、ヘーズメー

フィルムの延伸により正または負の複屈折性を示ター（日本電色工業株式会社製NDH1000）を用いて11-12)。ここで、延伸により分子鎖軸方向の分極率が測定した。屈折率及びアッベ数はアッベ屈折計（株式大きくなるものは正の、分子鎖軸と直交する方向の分会社アタゴ製DR-M2）を用いて測定した。光弾性係

極率が大きくなるものは負の複屈折性を示す材料と定数計算のための応力値は小型引張り試験機を用いた引義される。

張り試験により求めた。また、複屈折は偏光顕微鏡

す(a)Positive birefringenceFig.２(b)Negative birefringence

Intramolecular polarity and birefringence modes in oriented states.

（ 24 ）

東ソー研究・技術報告 第48巻（2004）

256CH

CHPCCCOCr ［×10−9Pa−1］4O

NRFig.３

Chemical structure of N -substituted
maleimide residues

20−2−4−10−50510Δα［×10−24 cm3］

（株式会社ニコン製Optiphoto２）を用いてSenarmont法18)により測定した。複屈折の正負は偏光顕微鏡を用Fig.４18)

いた鋭敏色干渉法 により判定した。分子内の分極率

Stress optical coefficients Cr plotted against
intramolecular polarityΔαof N-substituted
maleimide copolymers異方性は平均屈折率と複屈折とから計算により求めた18)。フィルム強度と伸びはASTM−D882に準拠し、引張り試験（東洋ボールドウィン製テンシロン）により、これに伴いCr も負の値を示した。

り測定した。延伸フィルムの３次元屈折率、及び位相試 作 し た 一 連 の 共 重 合 体 に お い て、 F i g . ４ 中 の差量はUniversal-Stage付きの偏光顕微鏡（株式会社ニΔα＝−4.5×10−24 cm3、Ｃr =−1.1×10−9 Pa−1で示されコン製Optiphoto２）を用いた傾斜複屈折測定法 19)及る共重合体（OPN）を負の複屈折性材料として選定

び平行ニコル回転法を利用した自動複屈折計（王子計した。

測器株式会社製KOBRA-WR）により測定した。
［2］OPNフィルムの物性

4．結果及び考察

このOPNフィルムの光学特性、耐熱性及び力学特［1］延伸フィルムの光学特性性を評価した結果をTable１に示す。本フィルムのガN−置換基が異なる種々のマレイミド共重合体のフラス転移温度は135℃であり、LCD用フィルムとしてィルムについて平均屈折率 −n と延伸時の配向複屈折実用上問題のない耐熱性、及び透明性を示した。また、

Δｎを測定し、式（１）を用いてフィルムの分極率異引張り強度と伸びは環状オレフィン樹脂と同等であっ方性Δαを算出した。

た。

2―22 NA ρ（ n ＋2）Δα＝Δn / π ・ ―
n9 M

（）

各種条件において延伸したOPNフィルムの３次元（1）

屈折率、及び位相差量を測定した結果をTable２、Fig.５に示す。尚、本報告では特に断らない限り、フここで、 N Aはアボガドロ数、ρは密度、 M は分子

ィルムはｘ-ｙ面内にあり、ｚ軸方向はフィルムの厚量である。Δαは、ポリマーの分子鎖方向の分極率α//、み方向を表す。また、一軸延伸を行う場合、ｘ方向を及び分子鎖に直交する方向の分極率α⊥の差を表し、延伸方向と定義し、２軸延伸における延伸方向はｘ、直交方向の分極率α⊥が大きい場合に負の値を示す。

及びｙ方向となる。

また、延伸時の応力と配向複屈折の測定結果から式（２）を用いてゴム領域の光弾性係数（Cr）を算出しTable１

Physical Properties of an OPN film (100μm)

た。
ΔnCr＝σ（2）ここでσは延伸時の応力値である。
Fig.４に種々のN−置換マレイミド共重合体の光弾性係数Crと分極率異方性Δαの関係を示す。
特定の置換基を導入することにより Δα が負とな（ 25 ）Transmittance
［％］
Haze
［％］
Refractive index(546nm)［−］
Abbe numder（νD）［−］
Stress optical coef. for rubbery resime Cr ［×10−9 Pa−1］
Stress optical coeff. for glassy resime Cg ［×10−11 Pa−1］

900.61.5734−1.1
1.5

Glass transition temperature Tg

［℃］

135

Tensile strength
Elongation at break

［MPa］
［％］

653

26TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.48（2004）

領域に位置付けられる。

OPNフィルムの位相差量は式（３）及び式（４）で与えられる。

5．OPNの広視野角位相差フィルム

Rexy ＝（nx −ny ）dRexz ＝（nx −nz ）d（3）（4）

屈折率成分nx , ny , nz の大小関係を表す指標の１つに式（５）に示すNz 係数がある。

ここでRexyはフィルム面内の位相差量、Rexzはフィ（nx −nz ）Nz＝nx −nyルム面外の位相差量であり、nx及びnyはフィルム面内（5）の屈折率、nzはフィルム面に垂直な方向の屈折率、dFujimuraらはNz 係数0.5近傍の位相差フィルムの視はフィルム厚さである。
OPNフィルムを各種条件下で延伸すると、３次元野角依存性が小さいことを報告している4)。Nz 係数が屈折率は一軸延伸ではnz≒nx＞ny、二軸延伸ではnz＞0.5となる場合、フィルムの３次元屈折率成分は n x＞

nx≒nyとなり、OPNフィルムの位相差はFig.５の負のnz＞nyかつ、nz＝0.5×（nx＋ny）の関係を持つが、このTable２Three-dimensional refractive indices of stretched OPN films

Uniaxial stretching

Biaxial stretchingnx ＝ny ＞nz

No.

d (μm)

nxny

nz

Nz

78
111865735576

1.570291.57030
1.573991.57059

1.56913
1.56970
1.57045
1.569101.570291.57040
1.574001.57061

00009101730
2336

1.56990
1.57393
1.57200

1.56992
1.57397
1.57190

1.57049
1.57471
1.57420−30−20−20nx ＞ny ＞nz

600
Nz＝6Nz＝2Nz＝1400(nx −ny )d［nm］

Positive birefringence materials

nx ＞ny ＝nz
200

Nz＝00
Negative birefringence materials

nz ≧nx ＞nyornz ≧ny ＞nx−200

Nz＝−6Nz＝−1

Nz＝−2−400
0100

200

300

400nz ＞nx ＝ny(nx −ny )d［nm］

Fig.５

Three-dimensional refractive indices of OPN films : (●) biaxial stretched OPN films ; (○)uniaxial
stretched OPN films of OPN ; d: thickness（ 26 ）

東ソー研究・技術報告 第48巻（2004）27

関係は正の複屈折性フィルム、及び負の複屈折性フィルム単体では容易に実現できていない。
120

我々は、上記の屈折率特性を有するフィルムを得る

90150 nm60

ため、負の複屈折性を示す上記OPNフィルムと正の150複屈折性を示すPCフィルムを貼り合わせ、Nz 係数が300.5に近い積層フィルムを作製し、その視野角特性をψ評価した。その結果を以下に示す。

120 nm

1800（応用例１）二軸延伸OPNフィルムと一軸延伸PCフ
ィルムの積層フィルム

210330二軸延伸OPNフィルムと一軸延伸PCフィルムを積240層したフィルムを用い、ｘ-ｙ面内、及びｘ-ｚ面内に300
270

おいて視野角θを0°〜50°の範囲で変え位相差を測定
Fig.７した。

Observed retardation (●) of a stacked film Ⅰ
from a direction (θ＝30°）on varied azimuthψ.
FilmⅠ：uniaxial stretched PC film and biaxial
stretched OPN film.

200
PC(uniaxial stretched film)
Nz＝1150

この際、各フィルムの遅相軸（屈折率が最大になる

Δnd［nm］（λ/4）

Nz＝0.5

フィルム面内軸）を一致させるように積層した。
（Fig.８、Fig.９)。

100

これらの結果から、OPNフィルムを正の複屈折性フィルムと積層することにより、正の複屈折性フィル
50

ム単独では実現が難しい広視野角位相差フィルムが実OPN(biaxial stretched film)

0現出来ることを確認した。

Nz＝−90102030405060

Oblique direction θ［°］Fig.６500

Viewing angle dependence of retardation:(■) biaxial
stretched OPN film; (●) PCλ/4 plate;(○) stacked film

Nz＝0.5Δnd［nm］

400

Fig.６に示すように積層フィルムでは位相差の視野角依存性が改善されていることが分かる。更に、視野300
PC(uniaxial stretched film)
Nz＝1200角θをｚ軸に対し30°に固定し、ｘ-ｙ面内における観察方向（方位角ψ）を０〜360°の範囲で変えた場

OPN(uniaxial stretched film)
Nz＝0100

合の位相差量を評価した。その結果、位相差量は方位角ψにも依存せず一定となった（Fig.７）。

002030405060

Oblique angle θ［°］（応用例２）一軸延伸OPNフィルムと一軸延伸PCフFig.８ィルムの積層フィルム

10

一軸延伸OPNフィルムと一軸延伸PCフィルムを積層したフィルムを用いて応用例１と同様に評価した結果、位相差量の視野角依存性が小さいことを確認した。

（ 27 ）

Viewing angle dependence of retardation : (■)
uniaxial stretched OPN film ; (●) uniaxial stretched
PC film ; (○) stacked film

28TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.48（2004）120

ォーラム、87（2003）

90
430 nm２）山田、山原、液晶、7（2）、 184（2003）60３）石鍋、内田、液晶、8（2）、 86（2004）
150４）Y.Fujimura,et al., SID 92 Digest, 397（1992）30５）J.Chen, K. -H.Kim, J. J.Jyu, J.H.Souk, J.R.Kelly,ψP.J.Bos, SID 98 Digest, 315（1998）

400 nm

1800６）吉見、長塚、季刊化学総説、39、162（1998）
７）K.Ohmuro, S.Kataoka, T.Sasaki, Y.Koike, SID

210

Digest, 845（1997）

330８）T.Ishinabe, T.Miyashita, T.Uchida, SID
240

00

Digest, 1094（2000）

300
270

Fig.９97９）T.Ishinabe, T.Miyashita, T.Uchida, Y.Fujimura,

Proc. of IDW 01, 485（2001）

Observed retardation (●) of a stacked film Ⅱfrom a direction (θ＝30°）on varied azimuthψ.
FilmⅡ：uniaxial stretched PC film anduniaxial stretched OPN film

10）T.Ishinabe, T.Miyashita, T.Uchida, Jpn. J. Appl.

Phys, 41, 4553（2002）
11）高分子実験学、 17、388（1984）12）沖中、鈴木ら、 Polymer Preprints, Japan 、39（10）、3824（1990）

6．ま と め13）特開平５−１１１１５

透明性及び耐熱性に優れ、負の複屈折性を示す高分

14）特開２００１−１９４５３０

子材料OPNを開発した。本報告では視野角改良に対

15）特開２００２−２２１６２２するOPNフィルムの応用例を紹介したが、OPNフィ16）特開平４−３０５６０２

ルムは偏光板の光漏れ防止にも有効であることを確認

17）特開２０００−２０６３２８

している。今後、OPNフィルムが液晶TVをはじめと

18）粟屋、高分子素材の偏光顕微鏡入門、75（2001）

するLCDの広視野角化に貢献することを期待してい19）小池、高分子の光物性、14（1994）る。

Reference
１）豊増、猪飼、春成、土井、第12回ポリマー材料フ（ 28 ）

東ソー研究・技術報告 第48巻（2004）

著

者

著

氏名 豊 増 信 之Shinsuke TOYOMASU

者

氏名 猪 飼 陽二郎

著

29者

氏名 春 成著
武Takeshi HARUNARI

Yojiro IKAI

者

氏名 土 井亨

Toru DOI

入社 昭和62年 4 月 1 日

入社 平成13年 4 月 1 日

入社 平成 4 年 4 月 1 日

入社 昭和63年 4 月 1 日

所属 四日市研究所

所属 四日市研究所

所属 四日市研究所

所属 四日市研究所

新規分野

新規分野

新規分野

新規分野

光学材料グループ

光学材料グループ

光学材料グループ

光学材料グループ

主任研究員

副主任研究員

主任研究員

主任研究員

著

者

氏名 山 川浩

Hiroshi YAMAKAWA
入社 昭和59年 4 月 2 日
所属 四日市研究所
新規分野
光学材料グループ
グループリーダー、主席研究員（ 29 ）