液晶表示素子
ＯＣＢモードの液晶表示素子であって、第１偏光層（５１）と液晶層（３０）との間に面内方位に位相差を生ずる第１位相差層（４１）をその遅相軸が第１偏光層（５１）の吸収軸と直交するよう配置し、第２偏光層（５２）と第１位相差層（４１）との間に面内方位に位相差を生ずる第２位相差層（４２）をその遅相軸が液晶分子の傾く面内方位と直交する方位となるよう配置し、なおかつ、第２偏光層（５２）と第１位相差層（４１）との間に液晶表示素子の法線方向に光軸を有するとともに層全体で負の一軸性の機能を有する第３位相差層（４３）を配置したことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液晶表示素子に係り、特に、広視野角及び高速応答の実現が可能なＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｅｎｄ）モードの液晶表示素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置は、薄型、軽量、低消費電力である等の様々な特徴を有しており、ＯＡ機器、情報端末、時計、及びテレビ等の様々な用途に応用されている。特に、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴという）を有する液晶表示装置は、その高い応答性から、携帯テレビやコンピュータなどのように多量の情報を表示するモニタとして用いられている。
【０００３】
近年、情報量の増加に伴い、画像の高精細化や表示速度の高速化に対する要求が高まっている。これら要求のうち画像の高精細化は、例えば、上述したＴＦＴが形成するアレイ構造を微細化することによって実現されている。
【０００４】
一方、表示速度の高速化に関しては、従来の表示モードに代わって、例えばネマティック液晶を用いたＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＶＡＮ（Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＨＡＮ（Ｈｙｂｒｉｄ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、およびπ配列モード、並びにスメクチック液晶を用いた界面安定型強誘電性液晶（ＳＳＦＬＣ：Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードおよび反強誘電性液晶（ＡＦＬＣ：Ａｎｔｉ−Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードが検討されている。
【０００５】
これら表示モードのうち、視野角及び応答速度を改善可能な液晶表示装置として、ＯＣＢモードの液晶表示装置が注目されている。このＯＣＢモード液晶表示装置は、一対の基板間にベンド配列が可能な液晶分子を有する液晶層が挟持されてなるものである。このＯＣＢモード液晶表示装置は、ＴＮモードに比して応答速度が一桁改善され、さらに液晶分子の配列状態により液晶層を通過する光の複屈折の影響を光学的に自己補償できるため視野角が広いという利点がある。
【０００６】
このようなＯＣＢモードの液晶表示装置を用いて画像を表示する場合、複屈折性を制御し偏光板との組み合わせによって、例えば高電圧印加時に光を遮断して黒を表示し、低電圧印加時に光を透過して白を表示することが考えられる。
【０００７】
しかしながら、黒を表示する際には、大多数の液晶分子は高電圧印加により電界方向に沿って配列する（すなわち基板の法線方向に配列する）が、基板近傍の液晶分子は配向膜との相互作用により法線方向に配列せず、光は所定方向に位相差の影響を受ける。このため、画面を正面方向（すなわち基板の法線方向）から観察した場合、黒表示時の透過率を十分に低減させることができず、コントラストの低下を招く。
【０００８】
そこで、例えば一軸性の位相差板を組み合わせることで、黒表示時の液晶層の位相差を補償し、透過率を十分に低減させることが知られている。また、画面を斜め方向から観察した場合でも十分に透過率の低い黒表示を実現する、あるいはコントラスト特性を補償する手法として、例えば特許文献１に開示されるように、ハイブリッド配列した光学的に負のディスコティック液晶分子を有するディスコティック液晶層を位相差板として組み合わせることも知られている。（例えば、特開平１０−１９７８６２号公報参照。）。
【０００９】
ＯＣＢモードの液晶表示装置において、従来の構成では、それぞれの吸収軸（または透過軸）が互いに直交するような配置された２枚の偏光板の間にベンド配列した液晶分子からなるベンド液晶層が配置されており、黒表示時の視野角特性を補償するために、２つのディスコティック液晶層及び２つの２軸性位相差板を用いて構成されている。
【００１０】
このような従来構成においては、光学的に補償すべき対象が３つある。すなわち、ベンド液晶層の法線方向における正の位相差、ベンド液晶層の面内方位における残留位相差、及び、偏光板の正の２色性が補償対象である。
【００１１】
すなわち、ベンド液晶層は、全体的に見ると、２軸の屈折率異方体（ｎｚ＞ｎｘ＞ｎｙ）である。このため、ベンド液晶層は、その法線方向に正の位相差を有するとともに、その面内方位に位相差を有している。法線方向における位相差は、主にディスコティック液晶層及び２軸性位相差板を用いて補償している。また、面内方位における残留位相差は、主に、ディスコティック液晶層を用いて補償している。
【００１２】
しかしながら、これら液晶起因の位相差は、波長分散性が大きい。一方で、法線方向の位相差を補償するための２軸性位相差板は、延伸フィルムによって形成されたものが多く、液晶分子を含むような位相差板ほど波長分散性を大きくすることができない。したがって、法線方向の位相差について、特定波長に対して補償できたとしてもその他の大部分の波長に対してベンド液晶層と２軸性位相差板との波長分散性が合致せず、十分な補償ができない。このため、画面の法線からの傾きに対するコントラスト特性及び色再現性すなわちコントラスト及び色の視野角特性が不十分であるといった問題がある。
【００１３】
なお、面内方位の位相差を補償するためのディスコティック液晶層は、ベンド液晶層と同様に波長分散性が大きく、可視域の波長範囲内においてベンド液晶層の面内方位における位相差を略補償できている。このため、画面の法線方向でのコントラスト特性及び色再現性は良好である。
【００１４】
また、偏光板における正の２色性は、２色性方位と直交する方位に遅相軸を持つ２軸性位相差板を用いて補償可能である。しかしながら、偏光板の２色性は、ベンド液晶層の波長分散性とは逆極性の波長分散性を有している（例えば、ベンド液晶層の波長分散性は短波長ほど位相差が大きい特性であるのに対して、偏光板の波長分散性は長波長ほど位相差が大きい特性である）。これに対して、２軸性位相差板は波長分散性が小さい。したがって、正の２色性について、特定波長に対して補償できたとしてもその他の大部分の波長に対して偏光板と２軸性位相差板との波長分散性が合致せず、十分な補償ができない。このため、コントラスト及び色の視野角特性が不十分であるといった問題がある。
【００１５】
さらに、このような問題に加えて、ディスコティック液晶層及び２軸性位相差板は、製造コストが高く、液晶表示装置全体のコストアップを招くといった課題もある。
【発明の開示】
【００１６】
この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、視野角特性及び表示品位に優れ、しかも、コスト低減が可能な液晶表示素子を提供することにある。
【００１７】
この発明の態様による液晶表示素子は、
一対の基板間にネマティック液晶層を挟持したドットマトリクス型の液晶パネルを第１偏光層と第２偏光層との間に配置した液晶表示素子であり、画素に電圧を印加していない状態において、前記液晶層の界面近傍の液晶分子は基板の法線方向に対して傾きを持っており、且つそれぞれの基板近傍の液晶分子は基板面内で傾く面内方位が略同じ方位であるスプレイ状若しくはベンド状の分子配列をなし、前記画素に電圧を印加し前記液晶分子の傾き角をベンド状の分子配列にて制御することによって液晶層の位相差を変調させて表示の明暗を制御するベンドモードの液晶表示素子であって、
前記第１偏光層と前記液晶層との間に、面内方位に位相差を生ずる第１位相差層をその遅相軸が前記第１偏光層の吸収軸と直交するよう配置し、
前記第２偏光層と前記第１位相差層との間に、面内方位に位相差を生ずる第２位相差層をその遅相軸が前記液晶分子の傾く面内方位と直交する方位となるよう配置し、
なおかつ、前記第２偏光層と前記第１位相差層との間に、前記液晶表示素子の法線方向に光軸を有するとともに層全体で負の一軸性の機能を有する第３位相差層を配置したことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
［図１］図１は、この発明の一実施の形態としてのＯＣＢ型液晶表示装置の構成を概略的に示す断面図である。
［図２］図２は、ＯＣＢ型液晶表示装置に適用される光学補償素子の構成を概略的に示す図である。
［図３］図３は、図２に示した光学補償素子を構成する各光学部材の光軸方向と液晶配向方向との関係を示す図である。
［図４］図４は、画像を表示可能な状態でのベンド液晶層における位相差を説明するための図である。
［図５］図５は、第１位相差層及び第２位相差層において生ずる位相差を説明するための図である。
［図６］図６は、第３位相差層において生ずる位相差を説明するための図である。
［図７］図７は、クロスニコル偏光板を透過する光の透過率についての波長分散性を説明するための図である。
［図８］図８は、偏光板における正の２色性の補償原理を説明するための図である。
［図９］図９は、偏光板における正の２色性の補償原理を説明するための図である。
［図１０］図１０は、光学補償された偏光層及び位相差層を透過する光の透過率についての波長分散性を説明するための図である。
［図１１］図１１は、実施例に係るＯＣＢ型液晶表示装置の構成を概略的に示す図である。
［図１２］図１２は、実施例に係るＯＣＢ型液晶表示装置による黒表示時の視野角依存性を説明するための色度図である。
［図１３］図１３は、実施例に係るＯＣＢ型液晶表示装置によるコントラストの視野角依存性を説明するための図である。
［図１４］図１４は、実施例に係るＯＣＢ型液晶表示装置による８階調について、画免の左右方向に傾いた角度についての輝度の測定結果を示す図である。
［図１５］図１５は、実施例に係るＯＣＢ型液晶表示装置による８階調について、画免の上下方向に傾いた角度についての輝度の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、この発明の一実施の形態に係る液晶表示素子について図面を参照して説明する。この実施の形態では、複屈折モードの液晶表示素子として、特に、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｅｎｄ）モード方式による液晶表示装置を例に説明する。
【００２０】
図１に示すように、ＯＣＢ型液晶表示装置は、一対の基板すなわちアレイ基板１０と対向基板２０との間に液晶層（ネマティック液晶層）３０を保持して構成されたドットマトリクス型の液晶パネル１を備えている。この液晶パネル１は、例えば透過型であり、アレイ基板１０側に配置された図示しないバックライトユニットからのバックライト光を対向基板２０側に透過可能に構成されている。
【００２１】
アレイ基板１０は、ガラスなどの絶縁基板１１を用いて形成されている。このアレイ基板１０は、絶縁基板１１の一方の主面にスイッチング素子１２、画素電極１３、配向膜１４などを備えている。スイッチング素子１２は、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｍｅｔａｌ）、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｄｉｏｄｅ）などで構成されている。画素電極１３は、マトリクス状の画素毎に配置され、スイッチング素子１２に電気的に接続されている。この画素電極１３は、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）やＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）などの光透過性を有する導電性部材によって形成されている。配向膜１４は、絶縁基板１１の主面全体を覆うように配置されている。
【００２２】
対向基板２０は、ガラスなどの絶縁基板２１を用いて形成されている。この対向基板２０は、絶縁基板２１の一方の主面に対向電極２２、配向膜２３などを備えている。対向電極２２は、例えばＩＴＯやＩＺＯなどの光透過性を有する導電性部材によって形成されている。配向膜２３は、絶縁基板２１の主面全体を覆うように配置されている。
【００２３】
なお、カラー表示タイプの液晶表示装置では、液晶パネル１は、複数色例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の色画素を有している。すなわち、赤色画素は赤色波長の光を透過する赤色カラーフィルタを備え、緑色画素は緑色波長の光を透過する緑色カラーフィルタを備え、青色画素は青色波長の光を透過する青色カラーフィルタを備えている。これらカラーフィルタは、アレイ基板１０または対向基板２０の主面に配置されている。
【００２４】
上述したような構成のアレイ基板１０と対向基板２０とは、図示しないスペーサを介して互いに所定のギャップを維持した状態で貼り合わせられている。液晶層３０は、これらアレイ基板１０と対向基板２０との間のギャップに封入されている。液晶層３０に含まれる液晶分子３１は、正の誘電率異方性を有するとともに光学的に正の一軸性を有する材料を選択可能である。
【００２５】
このような液晶パネル１は、一対の偏光層すなわち第１偏光層５１と第２偏光層５２との間に配置されている。第１偏光層５１は、例えば液晶パネル１の光入射側すなわちアレイ基板１０の外面側に配置されている。第２偏光層５２は、例えば液晶パネル１の光出射側すなわち対向基板２０の外面側に配置されている。また、第１偏光層５１と液晶パネル１との間、及び、第２偏光層５２と液晶パネル２との間には、所定の表示状態における液晶層３０の位相差、及び、第１偏光層５１及び第２偏光層５２の正の２色性を光学的に補償する光学補償素子４０が配置されている。
【００２６】
例えば、図２に示すように、第１偏光層５１と液晶パネル１との間に配置された光学補償素子４０Ａは、第１位相差層（Ａプレート）４１を有している。また、第２偏光層５２と液晶パネル１との間に配置された光学補償素子４０Ｂは、第２位相差層（Ａプレート）４２及び第３位相差層（Ｃプレート）４３を有している。なお、第１位相差層４１は、第１偏光層５１と液晶層３０との間であればどこに配置されても良い。また、第２位相差層４２は、第２偏光層５２と第１位相差層４１との間であればどこには位置されても良い。さらに、第３位相差層４３は、第２偏光層５２と第１位相差層４１との間であればどこには位置されても良い。
【００２７】
いま、図３に示すように、アレイ基板１０及び対向基板２０の主面と平行な平面を便宜上基板面と称し、この基板面内の方位を面内方位と称する。ここでは、画面の左右方位が図中矢印Ａで示した０°方位に対応し、画面の上下方位が図中矢印Ｂで示した９０°方位に対応するものとする。
【００２８】
配向膜１４及び２３は、パラレル配向処理されている。すなわち、配向膜１４及び２３は、ともに図中の矢印Ａで示す方向にラビング処理されている。これにより、液晶分子３１の光軸の正射影（液晶配向方向）は、図中矢印Ｂと平行となる。つまり、液晶分子３１は、画素に電圧を印加していない状態において、配向膜１４及び２３の影響により、液晶層３０の界面近傍において基板面の法線方向（液晶層の厚み方向）に対して傾きを持って配列しており、しかも、アレイ基板１０及び対向基板２０の近傍において、傾く面内方位が基板面内で略同じ方位であり、略９０°方位に傾いている。
【００２９】
このとき、液晶分子３１は、アレイ基板１０と対向基板２０との間でスプレイ状若しくはベンド状の分子配列をなしている。また、画像を表示可能な状態、例えば所定のバイアスを印加した状態では、液晶分子３１は、矢印Ｂで規定される液晶層３０の断面内において、アレイ基板１０と対向基板２０との間においてベンド状に配列している。
【００３０】
第１偏光層５１は、その光軸（すなわち透過軸または吸収軸）が図中の矢印Ｃで示した１３５°方位を向くように配置されている。また、第２偏光層５２は、その光軸（透過軸または吸収軸）が図中の矢印Ｄで示した４５°方位を向くように配置されている。つまり、第１偏光層５１及び第２偏光層５２のそれぞれの光軸は、液晶配向方向Ｂに対して４５°の角度をなし、しかも、互いに直交する。
【００３１】
ＯＣＢ型液晶表示装置では、画素に電圧を印加し、液晶分子３１の傾き角をベンド状の分子配列にて制御することにより、液晶層３０の位相差を変調させて表示の明暗を制御している。
【００３２】
ところで、上述したように、ベンド液晶層３０に対して高い電圧を印加しても、すべての液晶分子３１が基板の法線方向に沿って配列せず、液晶層３０は位相差を有する。すなわち、ベンド液晶層３０は、全体的に見ると、図４に示すように、２軸の屈折率異方体（ｎｚ＞ｎｘ＞ｎｙ）である。このため、ベンド液晶層３０は、その法線方向（ｚ方向）に正の位相差を有するとともに、その面内方位（ｘ−ｙ平面）に位相差を有している。ここでは、ｘ軸が０°方位に対応するものとしｘ軸方向の主屈折率をｎｘ、ｙ軸が９０°方位に対応するものとしｙ軸方向の主屈折率をｎｙ、ｚ軸が基板面の法線方位に対応するものしｚ軸方向の主屈折率をｎｚとする。
【００３３】
このような液晶層３０の面内方位における位相差を光学的に補償するために、第２位相差層４２が設けられている。すなわち、この第２位相差層４２は、ある特定の電圧印加状態（例えば高電圧を印加して黒を表示する状態；暗表示時）で、液晶層３０の面内方位における位相差（画面を正面方向から観察した時に影響する液晶層３０の位相差）をキャンセルするような位相差機能を有している。
【００３４】
この第２位相差層４２は、図５に示すように、１軸の屈折率異方性（ｎｘ＞ｎｙ＝ｎｚ）を有している。ここでは、第２位相差層４２は、ｘ軸が０°方位に対応し、ｙ軸が９０°方位に対応し、ｚ軸が基板面の法線方位に対応するように配置される。つまり、このような第２位相差層４２の光軸（すなわち遅相軸）の方位（０°方位）Ａは、液晶層３０の面内方位において位相差を発生する方位（９０°方位）すなわち液晶配向方向Ｂに直交する。すなわち、第２位相差層４２は、方位Ａに位相差を有する。
【００３５】
これにより、液晶層３０が有する面内方位での位相差をキャンセルさせて、液晶層３０と第２位相差層４２とを複合してリタデーション量が実効的にゼロになる状態を形成し、画面の正面方向（基板面の法線方向）から観察した時に十分なコントラストを得ることが可能となる。
【００３６】
このような位相差を有する第２位相差層４２は、液晶ポリマーによって形成可能である。この液晶ポリマーは、例えばネマティック液晶ポリマーからなる。この第２液晶層４２は、液晶ポリマーの分子長軸が第２位相差層４２の遅相軸方位すなわち０°方位と略平行となるように液晶ポリマー分子を配列させることによって形成される。
【００３７】
このような液晶分子を用いて形成した第２位相差層４２の波長分散性は、少なくとも可視域の波長範囲内において、同様に液晶分子からなる液晶層３０の波長分散性と略合致する。つまり、波長４４０ｎｍでの値を波長６２０ｎｍでの値で割った比を波長分散値としたとき、第２位相差層４２における位相差の波長分散値がベンド状の分子配列をなした液晶層３０における屈折率異方性Δｎ１ｃの波長分散値と略等しい。このため、画面を正面方向から観察した時に、良好なコントラスト特性及び色再現性を実現できる。
【００３８】
第２位相差層４２の位相差値Ｒ２は、位相差層を形成する液晶ポリマーの屈折率異方性と位相差層の層厚とを制御することにより調整可能である。ここでは、第２位相差層４２の位相差値Ｒ２は、ベンド状の分子配列をなした液晶層３０に特定の電圧を印加したとき（例えば黒表示時の電圧を印加したとき）の面内方位における位相差値Ｒ１ｃと略等しく設定されている。厳密には、位相差値Ｒ２と位相差値Ｒ１ｃとの絶対値が略等しく、それぞれの極性（正または負）は異なる。このため、特に、特定の電圧を印加した際の液晶層３０の面内方位における位相差がキャンセルされ、良好なコントラスト特性を実現できる。
【００３９】
また、第２位相差層４２の位相差値Ｒ２は、波長５５０ｎｍにおいて、１００ｎｍ以下に設定されている。位相差値Ｒ２が小さいほど、黒表示を得る液晶層３０の液晶分子の平均傾き角は大きくなる。つまり垂直配向に近い分子配列となる。従って位相差値Ｒ２が小さいほど、黒表示を得るために画素に印加する電圧は大きくなる。電圧値が大きすぎると駆動に負荷がかかるので問題となるが、低すぎると電気光学特性が急峻になりすぎるのでマージンが取れなくなる。液晶層厚の制御性やスイッチング素子１２の特性ばらつきなどを考慮すると位相差値Ｒ２は１００ｎｍ以下とするのが好ましい。なお、位相差値Ｒ２を小さくしすぎると前述したように駆動電圧が高くなってしまうが、これは液晶材料の誘電率異方性にも依存するので位相差値Ｒ２の下限値は一概には決められない。
【００４０】
一方で、上述したような液晶層３０の法線方向（厚み方向）における正の位相差を光学的に補償するために、第３位相差層４３が設けられている。すなわち、この第３位相差層４３は、その法線方向に光軸を有するとともに、ある特定の電圧印加状態（例えば高電圧を印加して黒を表示する状態）で、層全体で液晶分子３１とは逆の光学特性すなわち負の一軸性の位相差機能を有している。つまり、この第３位相差層４３は、液晶層３０の法線方向における位相差（画面を斜め方向から観察した時に影響する液晶層３０の位相差）をキャンセルするような位相差を生ずる。より望ましくは、第３位相差層４３は、第１偏光層５１と第２偏光層５２との間に配置された第３位相差層４３以外の構成部材における法線方向の位相差の和Ｒ（ｔｏｔａｌ）が波長５５０ｎｍにおいて略ゼロとなるとなるような位相差を生ずる。
【００４１】
この第３位相差層４３は、図６に示すように、その層厚方向（法線方向）の主屈折率ｎｚが相対的に小さく、面内方位の主屈折率ｎｘ及びｎｙが相対的に大きい１軸の屈折率異方性（ｎｘ＝ｎｙ＞ｎｚ）を有している。ここでは、第３位相差層４３は、ｘ軸が０°方位に対応し、ｙ軸が９０°方位に対応し、ｚ軸が基板面の法線方位に対応するように配置される。つまり、このような第３位相差層４３の光軸（すなわち遅相軸）の方位は、液晶層３０の法線方向に平行となる。すなわち、第３位相差層４３は、法線方向に位相差を有する。
【００４２】
これにより、液晶層３０が有する法線方向での位相差をキャンセルさせて、液晶層３０と第３位相差層４３とを複合してリタデーション量が実効的にゼロになる状態を形成し、画面を斜め方向から観察した時でも十分なコントラストを得ることが可能となる。つまり、コントラストの視野角特性を改善することが可能となる。
【００４３】
このような位相差を有する第３位相差層４３は、液晶ポリマーによって形成可能である。この液晶ポリマーは、例えばカイラルネマティック液晶ポリマー若しくはコレステリック液晶ポリマーからなる。この第３位相差層４３は、液晶ポリマーの螺旋軸が第３位相差層４３の主面の法線方向（層厚方向）に対して略平行であり、液晶ポリマーの捩れピッチをＰとし、且つ波長４００ｎｍにおける液晶ポリマーの平均屈折率をｎ（＝（（ｎｅ２＋ｎｏ２）／２）１／２；但し、ｎｅを異常光線に対する主屈折率とし、ｎｏを常光線に対する主屈折率とする）としたとき、値（ｎ×Ｐ）が４００ｎｍ未満となるように形成される。また、第３位相差層４３は、ディスコティック液晶ポリマーによって形成しても良い。この場合、第３位相差層４３は、液晶ポリマーの分子光軸が第３位相差層４３の主面の法線方向に対して略平行となるように液晶ポリマー分子を配列させることによって形成される。
【００４４】
このような液晶分子を用いて形成した第３位相差層４３の波長分散性は、少なくとも可視域の波長範囲内において、同様に液晶分子からなる液晶層３０の波長分散性と略合致する。つまり、第３位相差層４３における位相差の波長分散値がベンド状の分子配列をなした液晶層３０における屈折率異方性Δｎ１ｃの波長分散値と略等しい。より望ましくは、第３位相差層４３の位相差Ｒ３の波長分散値は、第１偏光層５１と第２偏光層５２との間に配置された第３位相差層４３以外の構成部材における法線方向の位相差の和Ｒ（ｔｏｔａｌ）の波長分散値と略等しい。このため、画面を斜め方向から観察した時に、良好な色再現性を実現できる。つまり、色再現性の視野角特性を改善することが可能となる。したがって、広視野角化が可能となる。
【００４５】
上述したように、ベンド液晶層３０における２つの光学的補償対象、すなわち（１）暗表示時での面内方位における残留位相差を第２位相差層４２により波長分散性も含めて補償するとともに、（２）法線方向における正の位相差を第３位相差層４３により波長分散性も含めて補償することが可能となる。残る１つの光学的補償対象、すなわち（３）第１偏光層５１及び第２偏光層５２における正の２色性は、第１位相差層４１により波長分散性も含めて補償可能である。
【００４６】
すなわち、一般に適用される偏光板は、正の２色性を有している。つまり、偏光板は、１方向に吸収軸を持つのみである。このような偏光板を２つ組み合わせ、それぞれの吸収軸が基板面内で互いに直交するように配置した場合の２つの偏光板を透過する光の透過率について検討する。基板面に対する法線方向（正面方向）から観察した場合、互いの吸収軸が直交しているため、図７のＡで示すように、可視域の略全域において透過率を約０％とすることができる。
【００４７】
これに対して、基板面に対して斜め方向から観察した場合、互いの吸収軸の交差角は９０°ではない（９０°より小さいもしくは見方によっては９０°より大きい）。このため、一部の光が２つの偏光板を透過する。略真横（基板面の法線に対して約８９°傾いた方向）から観察した場合、互いの吸収軸の交差角はほぼゼロとなる。このため、図７のＢに示すように、２つの偏光板を透過する光の透過率は、平行偏光板の場合とほぼ等しい。つまり、直線偏光が２つの偏光板を透過する。また、基板面の法線に対して４５°傾いた方向から観察した場合（４５°視角）は、図７のＣに示すように、Ａ及びＢで示した透過率の中間の透過率となる。つまり、２つの偏光板を透過した光は円偏光となる。
【００４８】
これを補償するには、図８に示すように、偏光板の透過軸方位に遅相軸を有する（異方性を持つ）位相差板を付与すればよい。ここでは、偏光板は、ｘ軸方向に吸収軸を有するとともにｙ軸方向に透過軸を有するものとする（ｎｘ＞ｎｙ＝ｎｚ）。このような偏光板の透過軸に異方性を付与するためには、ｙ軸方向に遅相軸を有する（ｎｙ＞ｎｘ＝ｎｚ）位相差板を組み合わせる。これらの組み合わせにより、負の２色性を有する偏光板として機能させることが可能となる。
【００４９】
この原理は、図９に示す通りである。すなわち、基板面に対する法線方向（正面方向）から観察した場合、偏光板の透過軸と位相差板の遅相軸とが互いに直交している（軸の交差角が９０°）。このため、一方の偏光板を透過した直線偏光の位相はずれず、直線偏光が出射される。
【００５０】
これに対して、基板面に対して斜め方向から観察した場合、例えば基板面の法線に対して６０°傾いた方向から観察した場合（６０°視角）、偏光板の透過軸と位相差板の遅相軸との交差角は３０°となる。このとき、偏光板の出射光の楕円性を位相差に置き換えると、（ｎ×λ／４×視角分）となる。但し、ｎ＝１、２、３…である。つまり、ここに示した例では、偏光板及び位相差板を透過した光は、（ｎ×λ／４×６０°）に相当する楕円性が付与された楕円偏光となる。このような楕円偏光を直線偏光として出射するためには、楕円偏光に（（９０°−視角）×ｎ／ｍ×λ）の位相差を与えれば良い。但し、ｎ＝１、２、３…であり、ｍ＝２、４、６…である。ここに示した例では、上述した楕円偏光は、（３０°×ｎ／ｍ×λ）の位相差を付与することにより直線偏光となる。つまり、偏光板の２色性を補償するための位相差板の位相差は、逆波長分散性を有することが望ましい。しかしながら、逆波長分散性を有する位相差板は材料の精製が難しく、製造コストが高い。
【００５１】
そこで、この実施の形態では、第１偏光層５１と液晶層３０との間に、面内方位に位相差を生ずる第１位相差層４１をその遅相軸が第１偏光層５１の吸収軸と直交するように配置している。すなわち、この第１位相差層４１は、第１偏光層５１及び第２偏光層５２における正の２色性を補償するような位相差を生ずる。
【００５２】
この第１位相差層４１は、図５に示すように、１軸の屈折率異方性（ｎｘ＞ｎｙ＝ｎｚ）を有している。ここでは、第１偏光層５１の吸収軸が基板面内において１３５°方位に対応し、第２偏光層５２の吸収軸が基板面内において４５°方位に対応するものとしたとき、第１位相差層４１は、ｘ軸が４５°方位に対応し、ｙ軸が１３５°方位に対応し、ｚ軸が基板面の法線方位に対応するように配置される。つまり、このような第１位相差層４１の遅相軸の方位（４５°方位）は、第１偏光層５１の吸収軸方位（１３５°方位）に直交する。換言すると、第１位相差層４１の遅相軸の方位（４５°方位）は、第１偏光層５１の透過軸方位（４５°方位）と平行である。
【００５３】
このような位相差を有する第１位相差層４１は、波長分散性が大きい特徴を活かし、液晶ポリマーによって形成可能である。この液晶ポリマーは、例えばネマティック液晶ポリマーからなる。この第１液晶層４１は、液晶ポリマーの分子長軸が第１位相差層４１の遅相軸方位すなわち４５°方位と略平行となるように液晶ポリマー分子を配列させることによって形成される。
【００５４】
このような液晶分子を用いて形成した第１位相差層４１の波長分散性は、少なくとも可視域の波長範囲内において、第１偏光層５１及び第２偏光層５２の２色性を補償するために必要な波長分散性と略合致する。このような第１位相差層４１の位相差値Ｒ１は、位相差層を形成する液晶ポリマーの屈折率異方性Δｎ１と位相差層の層厚ｔ１とを制御することにより調整可能である。すなわち、第１位相差層４１の位相差値Ｒ１は、屈折率異方性と層厚とを乗じた値、すなわち（Δｎ１×ｔ１）で与えられる。
【００５５】
つまり、第１位相差層４１は、液晶ポリマー層における液層分子の波長４４０ｎｍ及び６２０ｎｍにおける屈折率異方性Δｎ１（４４０）及びΔｎ１（６２０）をそれぞれ乗じた値（Δｎ１（４４０）×ｔ１）及び（Δｎ１（６２０）×ｔ１）が、入射光の波長λに対して、略ｍλ／８（ｍ＝１、２、３、４、…）となるように設定された層厚ｔ１及び屈折率異方性を有する液晶ポリマーによって形成される。
【００５６】
ここでは、第１位相差層４１は、青の波長に対してλ／２、赤の波長に対してはλ／４の位相差を与えるような波長分散性を有するように形成される。これにより、図１０に示すように、基板面に対して斜め方向例えば基板面の法線に対して４５°傾いた方向から観察した場合（４５°視角）であっても、第１偏光層５１及び第２偏光層５２における２色性の影響を補償することができ、可視域の略全域において透過率を約０％とすることができる。このような液晶ポリマーを用いて形成した第１位相差層４１は、延伸位相差板（例えばアートン）よりも優れた補償性能を有し、しかも製造コストも低く抑えることができる。さらに、液晶ポリマーを数μｍの膜厚で塗布することで第１位相差層４１を形成することが可能であり、延伸位相差板よりも厚みを低減することが可能となり、薄型化に有利である。
【実施例】
【００５７】
図１１に示すように、ＯＣＢ型液晶表示装置は、液晶パネルに含まれるベンド液晶層３０を第１偏光層５１と第２偏光層５２との間に配置することによって構成されている。ベンド液晶層３０に含まれる液晶分子は、９０°方位に配向されている。この液晶層３０は、先に図４を参照して説明したように、画像を表示可能な状態において、ｘ軸方向の主屈折率をｎｘ、ｙｙ軸方向の主屈折率をｎｙ、ｚ軸方向の主屈折率をｎｚとしたとき、ｎｚ＞ｎｘ＞ｎｙの関係を有している。なお、ｘ軸は０°方位に対応し、ｙ軸は９０°方位に対応し、ｚ軸は基板面の法線方向に対応するものとする。この実施例では、液晶層３０は、ネマティック液晶層によって構成され、黒表示時に５５０ｎｍの波長に対して法線方向に４４０ｎｍの位相差を有するとともに、面内方位に４２ｎｍの位相差を有している。
【００５８】
なお、第１偏光層５１は、その吸収軸が１３５°方位に対応するように配置されている。また、第２偏光層５２は、その吸収軸が４５°方位に対応するように配置されている。第１偏光層５１及び第２偏光層５２は、例えばヨウ素を含むポリビニルアルコール（ＰＶＡ）によって形成されている。これら第１偏光層５１及び第２偏光層５２は、一対のベースフィルムの間に配置されている。これらのベースフィルムは、例えばＴＡＣ（トリアセチルセルロース）によって形成されている。また、このベースフィルムは、例えば１つ当たり４０μｍの厚さを有しており、法線方向に−４０ｎｍの位相差を有している。実質的には、第１偏光層５１と液晶層３０との間に配置された１つのベースフィルムＢ５１、及び、第２偏光層５２と液晶層３０との間に配置された１つのベースフィルムＢ５２のそれぞれの位相差を考慮すれば良いため、法線方向に−８０ｎｍの位相差を有することになる。
【００５９】
いま、液晶層３０が法線方向に４４０ｎｍの位相差を有しており、ベースフィルムＢ５１及びＢ５２がそれぞれ−４０ｎｍの位相差を有しているため、残りの−３６０ｎｍの位相差を第３位相差層４３によって補償すればよい。
【００６０】
この実施例では、第３位相差層４３は、ベースフィルムＢ５２の液晶層３０側主面（表面）に形成される。すなわち、ベースフィルムＢ５２の表面を所定方向にラビング処理した後、カイラルネマティック液晶材料を１８μｍの厚みで塗布する。このカイラルネマティック液晶材料は、例えばナトリウム線の波長に対して０．１１６の屈折率異方性Δｎを有するようなネマティック液晶ポリマー（独、ＢＡＳＦ社製）に、カイラル材Ｓ８１１（英、メルク社製）を添加することによって得られる。さらに、このようなカイラルネマティック液晶材料に紫外線を照射する。これにより、塗布された液晶材料を硬化させる。
【００６１】
このようにして得られた第３位相差層４３は、先に図６を参照して説明したように、ｎｘ＝ｎｙ＞ｎｚの関係を有している。なお、ｘ軸は０°方位に対応し、ｙ軸は９０°方位に対応し、ｚ軸は基板面の法線方向に対応するものとする。また、平均屈折率ｎが１．５５であり、捩れピッチＰが約２０６ｎｍであり、（ｎ×Ｐ）値は約３２０ｎｍとなり、４００ｎｍ未満であった。
【００６２】
第２位相差層４２は、第３位相差層４３の液晶層３０側主面（表面）に形成される。すなわち、第３位相差層４３の表面を０°方位（第２偏光板５２の吸収軸と４５°の角度をなす方位）にラビング処理した後、ネマティック液晶材料を０．４μｍの厚みで塗布する。このネマティック液晶材料は、例えばナトリウム線の波長に対して０．１１６の屈折率異方性Δｎを有するようなネマティック液晶ポリマー（独、ＢＡＳＦ社製）である。さらに、このようなネマティック液晶材料に紫外線を照射する。これにより、塗布された液晶材料を硬化させる。
【００６３】
このようにして得られた第２位相差層４２は、先に図５を参照して説明したように、ｎｘ＞ｎｙ＝ｎｚの関係を有している。なお、ｘ軸は０°方位に対応し、ｙ軸は９０°方位に対応し、ｚ軸は基板面の法線方向に対応するものとする。
【００６４】
このように、ベースフィルムＢ５２の一方の主面に第２偏光層５２を有するとともに、ベースフィルムＢ５２の他方の主面に第３位相差層４３及び第２位相差層４２を有した積層体は、液晶パネル１の対向基板２０側に設けられる。すなわち、例えばアクリル系の接着剤を第２位相差層４２の表面に約２０μｍの厚さでコーティングする。上述した積層体は、接着剤を介して対向基板２０を構成する絶縁基板２１に直接貼り付けられる。
【００６５】
一方、第１位相差層４１は、ベースフィルムＢ５１の液晶層３０側主面（表面）に形成される。すなわち、ベースフィルムＢ５１の表面を４５°方位（第１偏光板５１の吸収軸と９０°の角度をなす方位）にラビング処理した後、ネマティック液晶材料を所定の厚みで塗布する。このネマティック液晶材料は、例えばナトリウム線の波長に対して０．１１６の屈折率異方性Δｎを有するようなネマティック液晶ポリマー（独、ＢＡＳＦ社製）である。このとき、ネマティック液晶材料を塗布する厚みは、青の波長に対してλ／２、赤の波長に対してはλ／４の位相差を与えるように設定され、この実施例では、約１．６μｍの厚みに設定される。さらに、このようなネマティック液晶材料に紫外線を照射する。これにより、塗布された液晶材料を硬化させる。
【００６６】
このようにして得られた第１位相差層４１は、先に図５を参照して説明したように、ｎｘ＞ｎｙ＝ｎｚの関係を有している。なお、ｘ軸は４５°方位に対応し、ｙ軸は１３５°方位に対応し、ｚ軸は基板面の法線方向に対応するものとする。
【００６７】
このように、ベースフィルムＢ５１の一方の主面に第１偏光層５１を有するとともに、ベースフィルムＢ５１の他方の主面に第１位相差層４１を有した積層体は、液晶パネル１のアレイ基板１０側に設けられる。すなわち、例えばアクリル系の接着剤を第１位相差層４１の表面に約２０μｍの厚さでコーティングする。上述した積層体は、接着剤を介してアレイ基板１０を構成する絶縁基板１１に直接貼り付けられる。
【００６８】
この実施例におけるＯＣＢ型液晶表示装置によれば、第１位相差層４１及び第２位相差層４２の最適化により、図１２に示したような黒表示時の色度の視野角依存性を得ることができた。すなわち、図中のＰ１は基板面の法線方向から観察した場合の色度座標を示し、Ｐ２は法線方向に対して画面の右側（０°方位）に８０°傾いた方向から観察した場合の色度座標を示し、Ｐ３は法線方向に対して画面の左側（１８０°方位）に８０°傾いた方向から観察した場合の色度座標を示している。Ｐ１乃至Ｐ３の３点ともに略等しい座標値（視野角に関わらず色味の変化が少ない）となり、色再現性の視野角特性を改善できたことが確認できた。
【００６９】
また、第３位相差層４３の最適化により、図１３に示したように、コントラストの視野角依存性を得ることができた。例えば、コントラスト比Ｃ（Ｒ、Ｇ、Ｂ）＝５００：１及び１００：１の視野角を上下左右方向全体にわたって拡大することができ、コントラストの視野角特性を改善できたことが確認できた。
【００７０】
さらに、この実施例におけるＯＣＢ型液晶表示装置によれば、８段階の階調について、法線に対して画面の左右方向に傾いた角度（視角）についてそれぞれの輝度を測定したところ、図１４に示したような結果が得られた。すなわち、いずれの角度についても低階調の輝度が高階調の輝度を上回るようないわゆる反転現象は確認されなかった。同様に、８段階の階調について、法線に対して画面の上下方向に傾いた角度（視角）についてそれぞれの輝度を測定したところ、図１５に示したような結果が得られた。すなわち、いずれの角度についても低階調の輝度が高階調の輝度を上回る反転現象は確認されなかった。
【００７１】
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００７２】
例えば、第１位相差層４１は、２枚以上の位相差フィルムによって形成しても良い。この第１位相差層４１は、主に第１位相差層５１及び第２位相差層における正の２色性を補償するものであり、第１位相差層５１と液晶層３０と間の第１位相差層５１に近接する位置、及び、第２位相差層５２と液晶層３０と間の第２位相差層５２に近接する位置の少なくとも一方に設けられていれば良い。
【００７３】
また、第２位相差層４２は、２枚以上の位相差フィルムによって形成しても良い。この第２位相差層４２は、主に液晶層３０における面内方位の位相差を補償するものであり、第１位相差層４１と第１偏光層５１または第２偏光層５２との間に設けられていれば良い。
【００７４】
同様に、第３位相差層４３は、２枚以上の位相差フィルムによって形成しても良い。この第３位相差層４３は、主に液晶層３０における法線方向の位相差を補償するものであり、第１位相差層４１と第１偏光層５１または第２偏光層５２との間に設けられていれば良い。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
この発明によれば、視野角特性及び表示品位に優れ、しかも、コスト低減が可能な液晶表示素子を提供することができる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液晶表示素子に係り、特に、広視野角及び高速応答の実現が可能なＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｅｎｄ）モードの液晶表示素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置は、薄型、軽量、低消費電力である等の様々な特徴を有しており、ＯＡ機器、情報端末、時計、及びテレビ等の様々な用途に応用されている。特に、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴという）を有する液晶表示装置は、その高い応答性から、携帯テレビやコンピュータなどのように多量の情報を表示するモニタとして用いられている。
【０００３】
近年、情報量の増加に伴い、画像の高精細化や表示速度の高速化に対する要求が高まっている。これら要求のうち画像の高精細化は、例えば、上述したＴＦＴが形成するアレイ構造を微細化することによって実現されている。
【０００４】
一方、表示速度の高速化に関しては、従来の表示モードに代わって、例えばネマティック液晶を用いたＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＶＡＮ（Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＨＡＮ（Ｈｙｂｒｉｄ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、およびπ配列モード、並びにスメクチック液晶を用いた界面安定型強誘電性液晶（ＳＳＦＬＣ：Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードおよび反強誘電性液晶（ＡＦＬＣ：Ａｎｔｉ−Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードが検討されている。
【０００５】
これら表示モードのうち、視野角及び応答速度を改善可能な液晶表示装置として、ＯＣＢモードの液晶表示装置が注目されている。このＯＣＢモード液晶表示装置は、一対の基板間にベンド配列が可能な液晶分子を有する液晶層が挟持されてなるものである。このＯＣＢモード液晶表示装置は、ＴＮモードに比して応答速度が一桁改善され、さらに液晶分子の配列状態により液晶層を通過する光の複屈折の影響を光学的に自己補償できるため視野角が広いという利点がある。
【０００６】
このようなＯＣＢモードの液晶表示装置を用いて画像を表示する場合、複屈折性を制御し偏光板との組み合わせによって、例えば高電圧印加時に光を遮断して黒を表示し、低電圧印加時に光を透過して白を表示することが考えられる。
【０００７】
しかしながら、黒を表示する際には、大多数の液晶分子は高電圧印加により電界方向に沿って配列する（すなわち基板の法線方向に配列する）が、基板近傍の液晶分子は配向膜との相互作用により法線方向に配列せず、光は所定方向に位相差の影響を受ける。このため、画面を正面方向（すなわち基板の法線方向）から観察した場合、黒表示時の透過率を十分に低減させることができず、コントラストの低下を招く。
【０００８】
そこで、例えば一軸性の位相差板を組み合わせることで、黒表示時の液晶層の位相差を補償し、透過率を十分に低減させることが知られている。また、画面を斜め方向から観察した場合でも十分に透過率の低い黒表示を実現する、あるいはコントラスト特性を補償する手法として、例えば特許文献１に開示されるように、ハイブリッド配列した光学的に負のディスコティック液晶分子を有するディスコティック液晶層を位相差板として組み合わせることも知られている。（例えば、特開平１０−１９７８６２号公報参照。）。
【０００９】
ＯＣＢモードの液晶表示装置において、従来の構成では、それぞれの吸収軸（または透過軸）が互いに直交するような配置された２枚の偏光板の間にベンド配列した液晶分子からなるベンド液晶層が配置されており、黒表示時の視野角特性を補償するために、２つのディスコティック液晶層及び２つの２軸性位相差板を用いて構成されている。
【００１０】
このような従来構成においては、光学的に補償すべき対象が３つある。すなわち、ベンド液晶層の法線方向における正の位相差、ベンド液晶層の面内方位における残留位相差、及び、偏光板の正の２色性が補償対象である。
【００１１】
すなわち、ベンド液晶層は、全体的に見ると、２軸の屈折率異方体（ｎｚ＞ｎｘ＞ｎｙ）である。このため、ベンド液晶層は、その法線方向に正の位相差を有するとともに、その面内方位に位相差を有している。法線方向における位相差は、主にディスコティック液晶層及び２軸性位相差板を用いて補償している。また、面内方位における残留位相差は、主に、ディスコティック液晶層を用いて補償している。
【００１２】
しかしながら、これら液晶起因の位相差は、波長分散性が大きい。一方で、法線方向の位相差を補償するための２軸性位相差板は、延伸フィルムによって形成されたものが多く、液晶分子を含むような位相差板ほど波長分散性を大きくすることができない。したがって、法線方向の位相差について、特定波長に対して補償できたとしてもその他の大部分の波長に対してベンド液晶層と２軸性位相差板との波長分散性が合致せず、十分な補償ができない。このため、画面の法線からの傾きに対するコントラスト特性及び色再現性すなわちコントラスト及び色の視野角特性が不十分であるといった問題がある。
【００１３】
なお、面内方位の位相差を補償するためのディスコティック液晶層は、ベンド液晶層と同様に波長分散性が大きく、可視域の波長範囲内においてベンド液晶層の面内方位における位相差を略補償できている。このため、画面の法線方向でのコントラスト特性及び色再現性は良好である。
【００１４】
また、偏光板における正の２色性は、２色性方位と直交する方位に遅相軸を持つ２軸性位相差板を用いて補償可能である。しかしながら、偏光板の２色性は、ベンド液晶層の波長分散性とは逆極性の波長分散性を有している（例えば、ベンド液晶層の波長分散性は短波長ほど位相差が大きい特性であるのに対して、偏光板の波長分散性は長波長ほど位相差が大きい特性である）。これに対して、２軸性位相差板は波長分散性が小さい。したがって、正の２色性について、特定波長に対して補償できたとしてもその他の大部分の波長に対して偏光板と２軸性位相差板との波長分散性が合致せず、十分な補償ができない。このため、コントラスト及び色の視野角特性が不十分であるといった問題がある。
【００１５】
さらに、このような問題に加えて、ディスコティック液晶層及び２軸性位相差板は、製造コストが高く、液晶表示装置全体のコストアップを招くといった課題もある。
【発明の開示】
【００１６】
この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、視野角特性及び表示品位に優れ、しかも、コスト低減が可能な液晶表示素子を提供することにある。
【００１７】
この発明の態様による液晶表示素子は、
一対の基板間にネマティック液晶層を挟持したドットマトリクス型の液晶パネルを第１偏光層と第２偏光層との間に配置した液晶表示素子であり、画素に電圧を印加していない状態において、前記液晶層の界面近傍の液晶分子は基板の法線方向に対して傾きを持っており、且つそれぞれの基板近傍の液晶分子は基板面内で傾く面内方位が略同じ方位であるスプレイ状若しくはベンド状の分子配列をなし、前記画素に電圧を印加し前記液晶分子の傾き角をベンド状の分子配列にて制御することによって液晶層の位相差を変調させて表示の明暗を制御するベンドモードの液晶表示素子であって、
前記第１偏光層と前記液晶層との間に、面内方位に位相差を生ずる第１位相差層をその遅相軸が前記第１偏光層の吸収軸と直交するよう配置し、
前記第２偏光層と前記第１位相差層との間に、面内方位に位相差を生ずる第２位相差層をその遅相軸が前記液晶分子の傾く面内方位と直交する方位となるよう配置し、
なおかつ、前記第２偏光層と前記第１位相差層との間に、前記液晶表示素子の法線方向に光軸を有するとともに層全体で負の一軸性の機能を有する第３位相差層を配置したことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
［図１］図１は、この発明の一実施の形態としてのＯＣＢ型液晶表示装置の構成を概略的に示す断面図である。
［図２］図２は、ＯＣＢ型液晶表示装置に適用される光学補償素子の構成を概略的に示す図である。
［図３］図３は、図２に示した光学補償素子を構成する各光学部材の光軸方向と液晶配向方向との関係を示す図である。
［図４］図４は、画像を表示可能な状態でのベンド液晶層における位相差を説明するための図である。
［図５］図５は、第１位相差層及び第２位相差層において生ずる位相差を説明するための図である。
［図６］図６は、第３位相差層において生ずる位相差を説明するための図である。
［図７］図７は、クロスニコル偏光板を透過する光の透過率についての波長分散性を説明するための図である。
［図８］図８は、偏光板における正の２色性の補償原理を説明するための図である。
［図９］図９は、偏光板における正の２色性の補償原理を説明するための図である。
［図１０］図１０は、光学補償された偏光層及び位相差層を透過する光の透過率についての波長分散性を説明するための図である。
［図１１］図１１は、実施例に係るＯＣＢ型液晶表示装置の構成を概略的に示す図である。
［図１２］図１２は、実施例に係るＯＣＢ型液晶表示装置による黒表示時の視野角依存性を説明するための色度図である。
［図１３］図１３は、実施例に係るＯＣＢ型液晶表示装置によるコントラストの視野角依存性を説明するための図である。
［図１４］図１４は、実施例に係るＯＣＢ型液晶表示装置による８階調について、画免の左右方向に傾いた角度についての輝度の測定結果を示す図である。
［図１５］図１５は、実施例に係るＯＣＢ型液晶表示装置による８階調について、画免の上下方向に傾いた角度についての輝度の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、この発明の一実施の形態に係る液晶表示素子について図面を参照して説明する。この実施の形態では、複屈折モードの液晶表示素子として、特に、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｅｎｄ）モード方式による液晶表示装置を例に説明する。
【００２０】
図１に示すように、ＯＣＢ型液晶表示装置は、一対の基板すなわちアレイ基板１０と対向基板２０との間に液晶層（ネマティック液晶層）３０を保持して構成されたドットマトリクス型の液晶パネル１を備えている。この液晶パネル１は、例えば透過型であり、アレイ基板１０側に配置された図示しないバックライトユニットからのバックライト光を対向基板２０側に透過可能に構成されている。
【００２１】
アレイ基板１０は、ガラスなどの絶縁基板１１を用いて形成されている。このアレイ基板１０は、絶縁基板１１の一方の主面にスイッチング素子１２、画素電極１３、配向膜１４などを備えている。スイッチング素子１２は、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｍｅｔａｌ）、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｄｉｏｄｅ）などで構成されている。画素電極１３は、マトリクス状の画素毎に配置され、スイッチング素子１２に電気的に接続されている。この画素電極１３は、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）やＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）などの光透過性を有する導電性部材によって形成されている。配向膜１４は、絶縁基板１１の主面全体を覆うように配置されている。
【００２２】
対向基板２０は、ガラスなどの絶縁基板２１を用いて形成されている。この対向基板２０は、絶縁基板２１の一方の主面に対向電極２２、配向膜２３などを備えている。対向電極２２は、例えばＩＴＯやＩＺＯなどの光透過性を有する導電性部材によって形成されている。配向膜２３は、絶縁基板２１の主面全体を覆うように配置されている。
【００２３】
なお、カラー表示タイプの液晶表示装置では、液晶パネル１は、複数色例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の色画素を有している。すなわち、赤色画素は赤色波長の光を透過する赤色カラーフィルタを備え、緑色画素は緑色波長の光を透過する緑色カラーフィルタを備え、青色画素は青色波長の光を透過する青色カラーフィルタを備えている。これらカラーフィルタは、アレイ基板１０または対向基板２０の主面に配置されている。
【００２４】
上述したような構成のアレイ基板１０と対向基板２０とは、図示しないスペーサを介して互いに所定のギャップを維持した状態で貼り合わせられている。液晶層３０は、これらアレイ基板１０と対向基板２０との間のギャップに封入されている。液晶層３０に含まれる液晶分子３１は、正の誘電率異方性を有するとともに光学的に正の一軸性を有する材料を選択可能である。
【００２５】
このような液晶パネル１は、一対の偏光層すなわち第１偏光層５１と第２偏光層５２との間に配置されている。第１偏光層５１は、例えば液晶パネル１の光入射側すなわちアレイ基板１０の外面側に配置されている。第２偏光層５２は、例えば液晶パネル１の光出射側すなわち対向基板２０の外面側に配置されている。また、第１偏光層５１と液晶パネル１との間、及び、第２偏光層５２と液晶パネル２との間には、所定の表示状態における液晶層３０の位相差、及び、第１偏光層５１及び第２偏光層５２の正の２色性を光学的に補償する光学補償素子４０が配置されている。
【００２６】
例えば、図２に示すように、第１偏光層５１と液晶パネル１との間に配置された光学補償素子４０Ａは、第１位相差層（Ａプレート）４１を有している。また、第２偏光層５２と液晶パネル１との間に配置された光学補償素子４０Ｂは、第２位相差層（Ａプレート）４２及び第３位相差層（Ｃプレート）４３を有している。なお、第１位相差層４１は、第１偏光層５１と液晶層３０との間であればどこに配置されても良い。また、第２位相差層４２は、第２偏光層５２と第１位相差層４１との間であればどこには位置されても良い。さらに、第３位相差層４３は、第２偏光層５２と第１位相差層４１との間であればどこには位置されても良い。
【００２７】
いま、図３に示すように、アレイ基板１０及び対向基板２０の主面と平行な平面を便宜上基板面と称し、この基板面内の方位を面内方位と称する。ここでは、画面の左右方位が図中矢印Ａで示した０°方位に対応し、画面の上下方位が図中矢印Ｂで示した９０°方位に対応するものとする。
【００２８】
配向膜１４及び２３は、パラレル配向処理されている。すなわち、配向膜１４及び２３は、ともに図中の矢印Ａで示す方向にラビング処理されている。これにより、液晶分子３１の光軸の正射影（液晶配向方向）は、図中矢印Ｂと平行となる。つまり、液晶分子３１は、画素に電圧を印加していない状態において、配向膜１４及び２３の影響により、液晶層３０の界面近傍において基板面の法線方向（液晶層の厚み方向）に対して傾きを持って配列しており、しかも、アレイ基板１０及び対向基板２０の近傍において、傾く面内方位が基板面内で略同じ方位であり、略９０°方位に傾いている。
【００２９】
このとき、液晶分子３１は、アレイ基板１０と対向基板２０との間でスプレイ状若しくはベンド状の分子配列をなしている。また、画像を表示可能な状態、例えば所定のバイアスを印加した状態では、液晶分子３１は、矢印Ｂで規定される液晶層３０の断面内において、アレイ基板１０と対向基板２０との間においてベンド状に配列している。
【００３０】
第１偏光層５１は、その光軸（すなわち透過軸または吸収軸）が図中の矢印Ｃで示した１３５°方位を向くように配置されている。また、第２偏光層５２は、その光軸（透過軸または吸収軸）が図中の矢印Ｄで示した４５°方位を向くように配置されている。つまり、第１偏光層５１及び第２偏光層５２のそれぞれの光軸は、液晶配向方向Ｂに対して４５°の角度をなし、しかも、互いに直交する。
【００３１】
ＯＣＢ型液晶表示装置では、画素に電圧を印加し、液晶分子３１の傾き角をベンド状の分子配列にて制御することにより、液晶層３０の位相差を変調させて表示の明暗を制御している。
【００３２】
ところで、上述したように、ベンド液晶層３０に対して高い電圧を印加しても、すべての液晶分子３１が基板の法線方向に沿って配列せず、液晶層３０は位相差を有する。すなわち、ベンド液晶層３０は、全体的に見ると、図４に示すように、２軸の屈折率異方体（ｎｚ＞ｎｘ＞ｎｙ）である。このため、ベンド液晶層３０は、その法線方向（ｚ方向）に正の位相差を有するとともに、その面内方位（ｘ−ｙ平面）に位相差を有している。ここでは、ｘ軸が０°方位に対応するものとしｘ軸方向の主屈折率をｎｘ、ｙ軸が９０°方位に対応するものとしｙ軸方向の主屈折率をｎｙ、ｚ軸が基板面の法線方位に対応するものしｚ軸方向の主屈折率をｎｚとする。
【００３３】
このような液晶層３０の面内方位における位相差を光学的に補償するために、第２位相差層４２が設けられている。すなわち、この第２位相差層４２は、ある特定の電圧印加状態（例えば高電圧を印加して黒を表示する状態；暗表示時）で、液晶層３０の面内方位における位相差（画面を正面方向から観察した時に影響する液晶層３０の位相差）をキャンセルするような位相差機能を有している。
【００３４】
この第２位相差層４２は、図５に示すように、１軸の屈折率異方性（ｎｘ＞ｎｙ＝ｎｚ）を有している。ここでは、第２位相差層４２は、ｘ軸が０°方位に対応し、ｙ軸が９０°方位に対応し、ｚ軸が基板面の法線方位に対応するように配置される。つまり、このような第２位相差層４２の光軸（すなわち遅相軸）の方位（０°方位）Ａは、液晶層３０の面内方位において位相差を発生する方位（９０°方位）すなわち液晶配向方向Ｂに直交する。すなわち、第２位相差層４２は、方位Ａに位相差を有する。
【００３５】
これにより、液晶層３０が有する面内方位での位相差をキャンセルさせて、液晶層３０と第２位相差層４２とを複合してリタデーション量が実効的にゼロになる状態を形成し、画面の正面方向（基板面の法線方向）から観察した時に十分なコントラストを得ることが可能となる。
【００３６】
このような位相差を有する第２位相差層４２は、液晶ポリマーによって形成可能である。この液晶ポリマーは、例えばネマティック液晶ポリマーからなる。この第２液晶層４２は、液晶ポリマーの分子長軸が第２位相差層４２の遅相軸方位すなわち０°方位と略平行となるように液晶ポリマー分子を配列させることによって形成される。
【００３７】
このような液晶分子を用いて形成した第２位相差層４２の波長分散性は、少なくとも可視域の波長範囲内において、同様に液晶分子からなる液晶層３０の波長分散性と略合致する。つまり、波長４４０ｎｍでの値を波長６２０ｎｍでの値で割った比を波長分散値としたとき、第２位相差層４２における位相差の波長分散値がベンド状の分子配列をなした液晶層３０における屈折率異方性Δｎ１ｃの波長分散値と略等しい。このため、画面を正面方向から観察した時に、良好なコントラスト特性及び色再現性を実現できる。
【００３８】
第２位相差層４２の位相差値Ｒ２は、位相差層を形成する液晶ポリマーの屈折率異方性と位相差層の層厚とを制御することにより調整可能である。ここでは、第２位相差層４２の位相差値Ｒ２は、ベンド状の分子配列をなした液晶層３０に特定の電圧を印加したとき（例えば黒表示時の電圧を印加したとき）の面内方位における位相差値Ｒ１ｃと略等しく設定されている。厳密には、位相差値Ｒ２と位相差値Ｒ１ｃとの絶対値が略等しく、それぞれの極性（正または負）は異なる。このため、特に、特定の電圧を印加した際の液晶層３０の面内方位における位相差がキャンセルされ、良好なコントラスト特性を実現できる。
【００３９】
また、第２位相差層４２の位相差値Ｒ２は、波長５５０ｎｍにおいて、１００ｎｍ以下に設定されている。位相差値Ｒ２が小さいほど、黒表示を得る液晶層３０の液晶分子の平均傾き角は大きくなる。つまり垂直配向に近い分子配列となる。従って位相差値Ｒ２が小さいほど、黒表示を得るために画素に印加する電圧は大きくなる。電圧値が大きすぎると駆動に負荷がかかるので問題となるが、低すぎると電気光学特性が急峻になりすぎるのでマージンが取れなくなる。液晶層厚の制御性やスイッチング素子１２の特性ばらつきなどを考慮すると位相差値Ｒ２は１００ｎｍ以下とするのが好ましい。なお、位相差値Ｒ２を小さくしすぎると前述したように駆動電圧が高くなってしまうが、これは液晶材料の誘電率異方性にも依存するので位相差値Ｒ２の下限値は一概には決められない。
【００４０】
一方で、上述したような液晶層３０の法線方向（厚み方向）における正の位相差を光学的に補償するために、第３位相差層４３が設けられている。すなわち、この第３位相差層４３は、その法線方向に光軸を有するとともに、ある特定の電圧印加状態（例えば高電圧を印加して黒を表示する状態）で、層全体で液晶分子３１とは逆の光学特性すなわち負の一軸性の位相差機能を有している。つまり、この第３位相差層４３は、液晶層３０の法線方向における位相差（画面を斜め方向から観察した時に影響する液晶層３０の位相差）をキャンセルするような位相差を生ずる。より望ましくは、第３位相差層４３は、第１偏光層５１と第２偏光層５２との間に配置された第３位相差層４３以外の構成部材における法線方向の位相差の和Ｒ（ｔｏｔａｌ）が波長５５０ｎｍにおいて略ゼロとなるとなるような位相差を生ずる。
【００４１】
この第３位相差層４３は、図６に示すように、その層厚方向（法線方向）の主屈折率ｎｚが相対的に小さく、面内方位の主屈折率ｎｘ及びｎｙが相対的に大きい１軸の屈折率異方性（ｎｘ＝ｎｙ＞ｎｚ）を有している。ここでは、第３位相差層４３は、ｘ軸が０°方位に対応し、ｙ軸が９０°方位に対応し、ｚ軸が基板面の法線方位に対応するように配置される。つまり、このような第３位相差層４３の光軸（すなわち遅相軸）の方位は、液晶層３０の法線方向に平行となる。すなわち、第３位相差層４３は、法線方向に位相差を有する。
【００４２】
これにより、液晶層３０が有する法線方向での位相差をキャンセルさせて、液晶層３０と第３位相差層４３とを複合してリタデーション量が実効的にゼロになる状態を形成し、画面を斜め方向から観察した時でも十分なコントラストを得ることが可能となる。つまり、コントラストの視野角特性を改善することが可能となる。
【００４３】
このような位相差を有する第３位相差層４３は、液晶ポリマーによって形成可能である。この液晶ポリマーは、例えばカイラルネマティック液晶ポリマー若しくはコレステリック液晶ポリマーからなる。この第３位相差層４３は、液晶ポリマーの螺旋軸が第３位相差層４３の主面の法線方向（層厚方向）に対して略平行であり、液晶ポリマーの捩れピッチをＰとし、且つ波長４００ｎｍにおける液晶ポリマーの平均屈折率をｎ（＝（（ｎｅ２＋ｎｏ２）／２）１／２；但し、ｎｅを異常光線に対する主屈折率とし、ｎｏを常光線に対する主屈折率とする）としたとき、値（ｎ×Ｐ）が４００ｎｍ未満となるように形成される。また、第３位相差層４３は、ディスコティック液晶ポリマーによって形成しても良い。この場合、第３位相差層４３は、液晶ポリマーの分子光軸が第３位相差層４３の主面の法線方向に対して略平行となるように液晶ポリマー分子を配列させることによって形成される。
【００４４】
このような液晶分子を用いて形成した第３位相差層４３の波長分散性は、少なくとも可視域の波長範囲内において、同様に液晶分子からなる液晶層３０の波長分散性と略合致する。つまり、第３位相差層４３における位相差の波長分散値がベンド状の分子配列をなした液晶層３０における屈折率異方性Δｎ１ｃの波長分散値と略等しい。より望ましくは、第３位相差層４３の位相差Ｒ３の波長分散値は、第１偏光層５１と第２偏光層５２との間に配置された第３位相差層４３以外の構成部材における法線方向の位相差の和Ｒ（ｔｏｔａｌ）の波長分散値と略等しい。このため、画面を斜め方向から観察した時に、良好な色再現性を実現できる。つまり、色再現性の視野角特性を改善することが可能となる。したがって、広視野角化が可能となる。
【００４５】
上述したように、ベンド液晶層３０における２つの光学的補償対象、すなわち（１）暗表示時での面内方位における残留位相差を第２位相差層４２により波長分散性も含めて補償するとともに、（２）法線方向における正の位相差を第３位相差層４３により波長分散性も含めて補償することが可能となる。残る１つの光学的補償対象、すなわち（３）第１偏光層５１及び第２偏光層５２における正の２色性は、第１位相差層４１により波長分散性も含めて補償可能である。
【００４６】
すなわち、一般に適用される偏光板は、正の２色性を有している。つまり、偏光板は、１方向に吸収軸を持つのみである。このような偏光板を２つ組み合わせ、それぞれの吸収軸が基板面内で互いに直交するように配置した場合の２つの偏光板を透過する光の透過率について検討する。基板面に対する法線方向（正面方向）から観察した場合、互いの吸収軸が直交しているため、図７のＡで示すように、可視域の略全域において透過率を約０％とすることができる。
【００４７】
これに対して、基板面に対して斜め方向から観察した場合、互いの吸収軸の交差角は９０°ではない（９０°より小さいもしくは見方によっては９０°より大きい）。このため、一部の光が２つの偏光板を透過する。略真横（基板面の法線に対して約８９°傾いた方向）から観察した場合、互いの吸収軸の交差角はほぼゼロとなる。このため、図７のＢに示すように、２つの偏光板を透過する光の透過率は、平行偏光板の場合とほぼ等しい。つまり、直線偏光が２つの偏光板を透過する。また、基板面の法線に対して４５°傾いた方向から観察した場合（４５°視角）は、図７のＣに示すように、Ａ及びＢで示した透過率の中間の透過率となる。つまり、２つの偏光板を透過した光は円偏光となる。
【００４８】
これを補償するには、図８に示すように、偏光板の透過軸方位に遅相軸を有する（異方性を持つ）位相差板を付与すればよい。ここでは、偏光板は、ｘ軸方向に吸収軸を有するとともにｙ軸方向に透過軸を有するものとする（ｎｘ＞ｎｙ＝ｎｚ）。このような偏光板の透過軸に異方性を付与するためには、ｙ軸方向に遅相軸を有する（ｎｙ＞ｎｘ＝ｎｚ）位相差板を組み合わせる。これらの組み合わせにより、負の２色性を有する偏光板として機能させることが可能となる。
【００４９】
この原理は、図９に示す通りである。すなわち、基板面に対する法線方向（正面方向）から観察した場合、偏光板の透過軸と位相差板の遅相軸とが互いに直交している（軸の交差角が９０°）。このため、一方の偏光板を透過した直線偏光の位相はずれず、直線偏光が出射される。
【００５０】
これに対して、基板面に対して斜め方向から観察した場合、例えば基板面の法線に対して６０°傾いた方向から観察した場合（６０°視角）、偏光板の透過軸と位相差板の遅相軸との交差角は３０°となる。このとき、偏光板の出射光の楕円性を位相差に置き換えると、（ｎ×λ／４×視角分）となる。但し、ｎ＝１、２、３…である。つまり、ここに示した例では、偏光板及び位相差板を透過した光は、（ｎ×λ／４×６０°）に相当する楕円性が付与された楕円偏光となる。このような楕円偏光を直線偏光として出射するためには、楕円偏光に（（９０°−視角）×ｎ／ｍ×λ）の位相差を与えれば良い。但し、ｎ＝１、２、３…であり、ｍ＝２、４、６…である。ここに示した例では、上述した楕円偏光は、（３０°×ｎ／ｍ×λ）の位相差を付与することにより直線偏光となる。つまり、偏光板の２色性を補償するための位相差板の位相差は、逆波長分散性を有することが望ましい。しかしながら、逆波長分散性を有する位相差板は材料の精製が難しく、製造コストが高い。
【００５１】
そこで、この実施の形態では、第１偏光層５１と液晶層３０との間に、面内方位に位相差を生ずる第１位相差層４１をその遅相軸が第１偏光層５１の吸収軸と直交するように配置している。すなわち、この第１位相差層４１は、第１偏光層５１及び第２偏光層５２における正の２色性を補償するような位相差を生ずる。
【００５２】
この第１位相差層４１は、図５に示すように、１軸の屈折率異方性（ｎｘ＞ｎｙ＝ｎｚ）を有している。ここでは、第１偏光層５１の吸収軸が基板面内において１３５°方位に対応し、第２偏光層５２の吸収軸が基板面内において４５°方位に対応するものとしたとき、第１位相差層４１は、ｘ軸が４５°方位に対応し、ｙ軸が１３５°方位に対応し、ｚ軸が基板面の法線方位に対応するように配置される。つまり、このような第１位相差層４１の遅相軸の方位（４５°方位）は、第１偏光層５１の吸収軸方位（１３５°方位）に直交する。換言すると、第１位相差層４１の遅相軸の方位（４５°方位）は、第１偏光層５１の透過軸方位（４５°方位）と平行である。
【００５３】
このような位相差を有する第１位相差層４１は、波長分散性が大きい特徴を活かし、液晶ポリマーによって形成可能である。この液晶ポリマーは、例えばネマティック液晶ポリマーからなる。この第１液晶層４１は、液晶ポリマーの分子長軸が第１位相差層４１の遅相軸方位すなわち４５°方位と略平行となるように液晶ポリマー分子を配列させることによって形成される。
【００５４】
このような液晶分子を用いて形成した第１位相差層４１の波長分散性は、少なくとも可視域の波長範囲内において、第１偏光層５１及び第２偏光層５２の２色性を補償するために必要な波長分散性と略合致する。このような第１位相差層４１の位相差値Ｒ１は、位相差層を形成する液晶ポリマーの屈折率異方性Δｎ１と位相差層の層厚ｔ１とを制御することにより調整可能である。すなわち、第１位相差層４１の位相差値Ｒ１は、屈折率異方性と層厚とを乗じた値、すなわち（Δｎ１×ｔ１）で与えられる。
【００５５】
つまり、第１位相差層４１は、液晶ポリマー層における液層分子の波長４４０ｎｍ及び６２０ｎｍにおける屈折率異方性Δｎ１（４４０）及びΔｎ１（６２０）をそれぞれ乗じた値（Δｎ１（４４０）×ｔ１）及び（Δｎ１（６２０）×ｔ１）が、入射光の波長λに対して、略ｍλ／８（ｍ＝１、２、３、４、…）となるように設定された層厚ｔ１及び屈折率異方性を有する液晶ポリマーによって形成される。
【００５６】
ここでは、第１位相差層４１は、青の波長に対してλ／２、赤の波長に対してはλ／４の位相差を与えるような波長分散性を有するように形成される。これにより、図１０に示すように、基板面に対して斜め方向例えば基板面の法線に対して４５°傾いた方向から観察した場合（４５°視角）であっても、第１偏光層５１及び第２偏光層５２における２色性の影響を補償することができ、可視域の略全域において透過率を約０％とすることができる。このような液晶ポリマーを用いて形成した第１位相差層４１は、延伸位相差板（例えばアートン）よりも優れた補償性能を有し、しかも製造コストも低く抑えることができる。さらに、液晶ポリマーを数μｍの膜厚で塗布することで第１位相差層４１を形成することが可能であり、延伸位相差板よりも厚みを低減することが可能となり、薄型化に有利である。
【実施例】
【００５７】
図１１に示すように、ＯＣＢ型液晶表示装置は、液晶パネルに含まれるベンド液晶層３０を第１偏光層５１と第２偏光層５２との間に配置することによって構成されている。ベンド液晶層３０に含まれる液晶分子は、９０°方位に配向されている。この液晶層３０は、先に図４を参照して説明したように、画像を表示可能な状態において、ｘ軸方向の主屈折率をｎｘ、ｙｙ軸方向の主屈折率をｎｙ、ｚ軸方向の主屈折率をｎｚとしたとき、ｎｚ＞ｎｘ＞ｎｙの関係を有している。なお、ｘ軸は０°方位に対応し、ｙ軸は９０°方位に対応し、ｚ軸は基板面の法線方向に対応するものとする。この実施例では、液晶層３０は、ネマティック液晶層によって構成され、黒表示時に５５０ｎｍの波長に対して法線方向に４４０ｎｍの位相差を有するとともに、面内方位に４２ｎｍの位相差を有している。
【００５８】
なお、第１偏光層５１は、その吸収軸が１３５°方位に対応するように配置されている。また、第２偏光層５２は、その吸収軸が４５°方位に対応するように配置されている。第１偏光層５１及び第２偏光層５２は、例えばヨウ素を含むポリビニルアルコール（ＰＶＡ）によって形成されている。これら第１偏光層５１及び第２偏光層５２は、一対のベースフィルムの間に配置されている。これらのベースフィルムは、例えばＴＡＣ（トリアセチルセルロース）によって形成されている。また、このベースフィルムは、例えば１つ当たり４０μｍの厚さを有しており、法線方向に−４０ｎｍの位相差を有している。実質的には、第１偏光層５１と液晶層３０との間に配置された１つのベースフィルムＢ５１、及び、第２偏光層５２と液晶層３０との間に配置された１つのベースフィルムＢ５２のそれぞれの位相差を考慮すれば良いため、法線方向に−８０ｎｍの位相差を有することになる。
【００５９】
いま、液晶層３０が法線方向に４４０ｎｍの位相差を有しており、ベースフィルムＢ５１及びＢ５２がそれぞれ−４０ｎｍの位相差を有しているため、残りの−３６０ｎｍの位相差を第３位相差層４３によって補償すればよい。
【００６０】
この実施例では、第３位相差層４３は、ベースフィルムＢ５２の液晶層３０側主面（表面）に形成される。すなわち、ベースフィルムＢ５２の表面を所定方向にラビング処理した後、カイラルネマティック液晶材料を１８μｍの厚みで塗布する。このカイラルネマティック液晶材料は、例えばナトリウム線の波長に対して０．１１６の屈折率異方性Δｎを有するようなネマティック液晶ポリマー（独、ＢＡＳＦ社製）に、カイラル材Ｓ８１１（英、メルク社製）を添加することによって得られる。さらに、このようなカイラルネマティック液晶材料に紫外線を照射する。これにより、塗布された液晶材料を硬化させる。
【００６１】
このようにして得られた第３位相差層４３は、先に図６を参照して説明したように、ｎｘ＝ｎｙ＞ｎｚの関係を有している。なお、ｘ軸は０°方位に対応し、ｙ軸は９０°方位に対応し、ｚ軸は基板面の法線方向に対応するものとする。また、平均屈折率ｎが１．５５であり、捩れピッチＰが約２０６ｎｍであり、（ｎ×Ｐ）値は約３２０ｎｍとなり、４００ｎｍ未満であった。
【００６２】
第２位相差層４２は、第３位相差層４３の液晶層３０側主面（表面）に形成される。すなわち、第３位相差層４３の表面を０°方位（第２偏光板５２の吸収軸と４５°の角度をなす方位）にラビング処理した後、ネマティック液晶材料を０．４μｍの厚みで塗布する。このネマティック液晶材料は、例えばナトリウム線の波長に対して０．１１６の屈折率異方性Δｎを有するようなネマティック液晶ポリマー（独、ＢＡＳＦ社製）である。さらに、このようなネマティック液晶材料に紫外線を照射する。これにより、塗布された液晶材料を硬化させる。
【００６３】
このようにして得られた第２位相差層４２は、先に図５を参照して説明したように、ｎｘ＞ｎｙ＝ｎｚの関係を有している。なお、ｘ軸は０°方位に対応し、ｙ軸は９０°方位に対応し、ｚ軸は基板面の法線方向に対応するものとする。
【００６４】
このように、ベースフィルムＢ５２の一方の主面に第２偏光層５２を有するとともに、ベースフィルムＢ５２の他方の主面に第３位相差層４３及び第２位相差層４２を有した積層体は、液晶パネル１の対向基板２０側に設けられる。すなわち、例えばアクリル系の接着剤を第２位相差層４２の表面に約２０μｍの厚さでコーティングする。上述した積層体は、接着剤を介して対向基板２０を構成する絶縁基板２１に直接貼り付けられる。
【００６５】
一方、第１位相差層４１は、ベースフィルムＢ５１の液晶層３０側主面（表面）に形成される。すなわち、ベースフィルムＢ５１の表面を４５°方位（第１偏光板５１の吸収軸と９０°の角度をなす方位）にラビング処理した後、ネマティック液晶材料を所定の厚みで塗布する。このネマティック液晶材料は、例えばナトリウム線の波長に対して０．１１６の屈折率異方性Δｎを有するようなネマティック液晶ポリマー（独、ＢＡＳＦ社製）である。このとき、ネマティック液晶材料を塗布する厚みは、青の波長に対してλ／２、赤の波長に対してはλ／４の位相差を与えるように設定され、この実施例では、約１．６μｍの厚みに設定される。さらに、このようなネマティック液晶材料に紫外線を照射する。これにより、塗布された液晶材料を硬化させる。
【００６６】
このようにして得られた第１位相差層４１は、先に図５を参照して説明したように、ｎｘ＞ｎｙ＝ｎｚの関係を有している。なお、ｘ軸は４５°方位に対応し、ｙ軸は１３５°方位に対応し、ｚ軸は基板面の法線方向に対応するものとする。
【００６７】
このように、ベースフィルムＢ５１の一方の主面に第１偏光層５１を有するとともに、ベースフィルムＢ５１の他方の主面に第１位相差層４１を有した積層体は、液晶パネル１のアレイ基板１０側に設けられる。すなわち、例えばアクリル系の接着剤を第１位相差層４１の表面に約２０μｍの厚さでコーティングする。上述した積層体は、接着剤を介してアレイ基板１０を構成する絶縁基板１１に直接貼り付けられる。
【００６８】
この実施例におけるＯＣＢ型液晶表示装置によれば、第１位相差層４１及び第２位相差層４２の最適化により、図１２に示したような黒表示時の色度の視野角依存性を得ることができた。すなわち、図中のＰ１は基板面の法線方向から観察した場合の色度座標を示し、Ｐ２は法線方向に対して画面の右側（０°方位）に８０°傾いた方向から観察した場合の色度座標を示し、Ｐ３は法線方向に対して画面の左側（１８０°方位）に８０°傾いた方向から観察した場合の色度座標を示している。Ｐ１乃至Ｐ３の３点ともに略等しい座標値（視野角に関わらず色味の変化が少ない）となり、色再現性の視野角特性を改善できたことが確認できた。
【００６９】
また、第３位相差層４３の最適化により、図１３に示したように、コントラストの視野角依存性を得ることができた。例えば、コントラスト比Ｃ（Ｒ、Ｇ、Ｂ）＝５００：１及び１００：１の視野角を上下左右方向全体にわたって拡大することができ、コントラストの視野角特性を改善できたことが確認できた。
【００７０】
さらに、この実施例におけるＯＣＢ型液晶表示装置によれば、８段階の階調について、法線に対して画面の左右方向に傾いた角度（視角）についてそれぞれの輝度を測定したところ、図１４に示したような結果が得られた。すなわち、いずれの角度についても低階調の輝度が高階調の輝度を上回るようないわゆる反転現象は確認されなかった。同様に、８段階の階調について、法線に対して画面の上下方向に傾いた角度（視角）についてそれぞれの輝度を測定したところ、図１５に示したような結果が得られた。すなわち、いずれの角度についても低階調の輝度が高階調の輝度を上回る反転現象は確認されなかった。
【００７１】
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００７２】
例えば、第１位相差層４１は、２枚以上の位相差フィルムによって形成しても良い。この第１位相差層４１は、主に第１位相差層５１及び第２位相差層における正の２色性を補償するものであり、第１位相差層５１と液晶層３０と間の第１位相差層５１に近接する位置、及び、第２位相差層５２と液晶層３０と間の第２位相差層５２に近接する位置の少なくとも一方に設けられていれば良い。
【００７３】
また、第２位相差層４２は、２枚以上の位相差フィルムによって形成しても良い。この第２位相差層４２は、主に液晶層３０における面内方位の位相差を補償するものであり、第１位相差層４１と第１偏光層５１または第２偏光層５２との間に設けられていれば良い。
【００７４】
同様に、第３位相差層４３は、２枚以上の位相差フィルムによって形成しても良い。この第３位相差層４３は、主に液晶層３０における法線方向の位相差を補償するものであり、第１位相差層４１と第１偏光層５１または第２偏光層５２との間に設けられていれば良い。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
この発明によれば、視野角特性及び表示品位に優れ、しかも、コスト低減が可能な液晶表示素子を提供することができる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の基板間に液晶層を保持した液晶パネルと、
前記液晶パネルの光入射側に配置された第１偏光層と、
前記液晶パネルの光出射側に配置された第２偏光層と、を有した液晶表示素子であって、
前記液晶表示素子の暗表示時に前記液晶層が面内方向に残留位相差を有し、且つ前記液晶層が厚み方向に正の位相差を有する複屈折モードの液晶表示素子において、
前記第１偏光層と前記液晶層との間に、前記第１偏光層を経た光に対して視野角特性を補償する正の１軸位相差層である第１位相差層を配置し、
前記第２偏光層と前記第１位相差層との間に、前記液晶層の残留位相差を補償する第２位相差機能と、前記液晶層の厚み方向の正の位相差を補償する第３位相差機能とを有することを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】
前記第３位相差機能を有する第３位相差層は、液晶ポリマーによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項３】
前記液晶ポリマーは、カイラルネマティック液晶ポリマー若しくはコレステリック液晶ポリマーからなり、その螺旋軸が前記第３位相差層の主面の法線方向に対して略平行であり、捩れピッチをＰとし、波長４００ｎｍにおける前記液晶ポリマーの平均屈折率をｎとしたとき、値（ｎ×Ｐ）が４００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項２に記載の液晶表示素子。
【請求項４】
前記液晶ポリマーは、ディスコティック液晶ポリマーからなり、その分子光軸が前記第３位相差層の主面の法線方向に対して略平行であることを特徴とする請求項２に記載の液晶表示素子。
【請求項５】
波長４４０ｎｍでの値を波長６２０ｎｍでの値で割った比を波長分散値としたとき、前記第３位相差層における位相差の波長分散値が前記ベンド状の分子配列をなした前記液晶層における屈折率異方性Δｎ１ｃの波長分散値と略等しいことを特徴とする請求項２に記載の液晶表示素子。
【請求項６】
前記第１位相差層は、液晶ポリマーによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項７】
前記液晶ポリマーは、ネマティック液晶ポリマーからなり、その分子長軸が前記第１位相差層の遅相軸方位と略平行であることを特徴とする請求項６に記載の液晶表示素子。
【請求項８】
前記第１位相差層を構成する前記液晶ポリマーの層厚ｔ１に前記液晶ポリマー層の液晶分子の波長４４０ｎｍ及び６２０ｎｍにおける屈折率異方性Δｎ１（４４０）及びΔｎ１（６２０）、をそれぞれ乗じた値（Δｎ１（４４０）×ｔ１）及び（Δｎ１（６２０）×ｔ１）が、波長λに対して、略ｍλ／８（ｍ＝１、２、３、４、…）であることを特徴とする請求項６に記載の液晶表示素子。
【請求項９】
前記第２位相差機能を有する第２位相差層は、液晶ポリマーによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項１０】
前記液晶ポリマーは、ネマティック液晶ポリマーからなり、その分子長軸が前記第２位相差層の遅相軸方位と略平行であることを特徴とする請求項９に記載の液晶表示素子。
【請求項１１】
波長４４０ｎｍでの値を波長６２０ｎｍでの値で割った比を波長分散値としたとき、前記第２位相差層における位相差の波長分散値が前記ベンド状の分子配列をなした前記液晶層における屈折率異方性Δｎ１ｃの波長分散値と略等しいことを特徴とする請求項９に記載の液晶表示素子。
【請求項１２】
前記第２位相差層の位相差値Ｒ２が前記ベンド状の分子配列をなした前記液晶層に特定の電圧を印加したときの面内方位における位相差値Ｒ１ｃと略等しいことを特徴とした請求項１１に記載の液晶表示素子。
【請求項１３】
前記第２位相差機能を有する第２位相差層の位相差値Ｒ２は、波長５５０ｎｍにおいて、１００ｎｍ以下であることを特徴とした請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項１４】
前記第３位相差機能を有する第３位相差層における法線方向の位相差Ｒ３と、前記第１偏光層と前記第２偏光層との間に配置された前記第３位相差層以外の構成部材における法線方向の位相差の和Ｒ（ｔｏｔａｌ）が波長５５０ｎｍにおいて略ゼロとなることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項１５】
波長４４０ｎｍでの値を波長６２０ｎｍでの値で割った比を波長分散値としたとき、前記位相差Ｒ３の波長分散値が前記位相差の和Ｒ（ｔｏｔａｌ）の波長分散値と略等しいことを特徴とする請求項１４に記載の液晶表示素子。
【請求項１６】
前記第１位相差層が２枚以上の位相差フィルムによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項１７】
前記第２位相差機能を有する第２位相差層が２枚以上の位相差フィルムによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項１８】
前記第３位相差機能を有する第３位相差層が２枚以上の位相差フィルムによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項１９】
一対の基板間にネマティック液晶層を挟持したドットマトリクス型の液晶パネルを第１偏光層と第２偏光層との間に配置した液晶表示素子であり、画素に電圧を印加していない状態において、前記液晶層の界面近傍の液晶分子は基板の法線方向に対して傾きを持っており、且つそれぞれの基板近傍の液晶分子は基板面内で傾く面内方位が略同じ方位であるスプレイ状若しくはベンド状の分子配列をなし、前記画素に電圧を印加し前記液晶分子の傾き角をベンド状の分子配列にて制御することによって液晶層の位相差を変調させて表示の明暗を制御するベンドモードの液晶表示素子であって、
前記第１偏光層と前記液晶層との間に、面内方位に位相差を生ずる第１位相差層をその遅相軸が前記第１偏光層の吸収軸と直交するよう配置し、
前記第２偏光層と前記第１位相差層との間に、面内方位に位相差を生ずる第２位相差層をその遅相軸が前記液晶分子の傾く面内方位と直交する方位となるよう配置し、
なおかつ、前記第２偏光層と前記第１位相差層との間に、前記液晶表示素子の法線方向に光軸を有するとともに層全体で負の一軸性の機能を有する第３位相差層を配置したことを特徴とする液晶表示素子。
【請求項１】
一対の基板間に液晶層を保持した液晶パネルと、
前記液晶パネルの光入射側に配置された第１偏光層と、
前記液晶パネルの光出射側に配置された第２偏光層と、を有した液晶表示素子であって、
前記液晶表示素子の暗表示時に前記液晶層が面内方向に残留位相差を有し、且つ前記液晶層が厚み方向に正の位相差を有する複屈折モードの液晶表示素子において、
前記第１偏光層と前記液晶層との間に、前記第１偏光層を経た光に対して視野角特性を補償する正の１軸位相差層である第１位相差層を配置し、
前記第２偏光層と前記第１位相差層との間に、前記液晶層の残留位相差を補償する第２位相差機能と、前記液晶層の厚み方向の正の位相差を補償する第３位相差機能とを有することを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】
前記第３位相差機能を有する第３位相差層は、液晶ポリマーによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項３】
前記液晶ポリマーは、カイラルネマティック液晶ポリマー若しくはコレステリック液晶ポリマーからなり、その螺旋軸が前記第３位相差層の主面の法線方向に対して略平行であり、捩れピッチをＰとし、波長４００ｎｍにおける前記液晶ポリマーの平均屈折率をｎとしたとき、値（ｎ×Ｐ）が４００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項２に記載の液晶表示素子。
【請求項４】
前記液晶ポリマーは、ディスコティック液晶ポリマーからなり、その分子光軸が前記第３位相差層の主面の法線方向に対して略平行であることを特徴とする請求項２に記載の液晶表示素子。
【請求項５】
波長４４０ｎｍでの値を波長６２０ｎｍでの値で割った比を波長分散値としたとき、前記第３位相差層における位相差の波長分散値が前記ベンド状の分子配列をなした前記液晶層における屈折率異方性Δｎ１ｃの波長分散値と略等しいことを特徴とする請求項２に記載の液晶表示素子。
【請求項６】
前記第１位相差層は、液晶ポリマーによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項７】
前記液晶ポリマーは、ネマティック液晶ポリマーからなり、その分子長軸が前記第１位相差層の遅相軸方位と略平行であることを特徴とする請求項６に記載の液晶表示素子。
【請求項８】
前記第１位相差層を構成する前記液晶ポリマーの層厚ｔ１に前記液晶ポリマー層の液晶分子の波長４４０ｎｍ及び６２０ｎｍにおける屈折率異方性Δｎ１（４４０）及びΔｎ１（６２０）、をそれぞれ乗じた値（Δｎ１（４４０）×ｔ１）及び（Δｎ１（６２０）×ｔ１）が、波長λに対して、略ｍλ／８（ｍ＝１、２、３、４、…）であることを特徴とする請求項６に記載の液晶表示素子。
【請求項９】
前記第２位相差機能を有する第２位相差層は、液晶ポリマーによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項１０】
前記液晶ポリマーは、ネマティック液晶ポリマーからなり、その分子長軸が前記第２位相差層の遅相軸方位と略平行であることを特徴とする請求項９に記載の液晶表示素子。
【請求項１１】
波長４４０ｎｍでの値を波長６２０ｎｍでの値で割った比を波長分散値としたとき、前記第２位相差層における位相差の波長分散値が前記ベンド状の分子配列をなした前記液晶層における屈折率異方性Δｎ１ｃの波長分散値と略等しいことを特徴とする請求項９に記載の液晶表示素子。
【請求項１２】
前記第２位相差層の位相差値Ｒ２が前記ベンド状の分子配列をなした前記液晶層に特定の電圧を印加したときの面内方位における位相差値Ｒ１ｃと略等しいことを特徴とした請求項１１に記載の液晶表示素子。
【請求項１３】
前記第２位相差機能を有する第２位相差層の位相差値Ｒ２は、波長５５０ｎｍにおいて、１００ｎｍ以下であることを特徴とした請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項１４】
前記第３位相差機能を有する第３位相差層における法線方向の位相差Ｒ３と、前記第１偏光層と前記第２偏光層との間に配置された前記第３位相差層以外の構成部材における法線方向の位相差の和Ｒ（ｔｏｔａｌ）が波長５５０ｎｍにおいて略ゼロとなることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項１５】
波長４４０ｎｍでの値を波長６２０ｎｍでの値で割った比を波長分散値としたとき、前記位相差Ｒ３の波長分散値が前記位相差の和Ｒ（ｔｏｔａｌ）の波長分散値と略等しいことを特徴とする請求項１４に記載の液晶表示素子。
【請求項１６】
前記第１位相差層が２枚以上の位相差フィルムによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項１７】
前記第２位相差機能を有する第２位相差層が２枚以上の位相差フィルムによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項１８】
前記第３位相差機能を有する第３位相差層が２枚以上の位相差フィルムによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項１９】
一対の基板間にネマティック液晶層を挟持したドットマトリクス型の液晶パネルを第１偏光層と第２偏光層との間に配置した液晶表示素子であり、画素に電圧を印加していない状態において、前記液晶層の界面近傍の液晶分子は基板の法線方向に対して傾きを持っており、且つそれぞれの基板近傍の液晶分子は基板面内で傾く面内方位が略同じ方位であるスプレイ状若しくはベンド状の分子配列をなし、前記画素に電圧を印加し前記液晶分子の傾き角をベンド状の分子配列にて制御することによって液晶層の位相差を変調させて表示の明暗を制御するベンドモードの液晶表示素子であって、
前記第１偏光層と前記液晶層との間に、面内方位に位相差を生ずる第１位相差層をその遅相軸が前記第１偏光層の吸収軸と直交するよう配置し、
前記第２偏光層と前記第１位相差層との間に、面内方位に位相差を生ずる第２位相差層をその遅相軸が前記液晶分子の傾く面内方位と直交する方位となるよう配置し、
なおかつ、前記第２偏光層と前記第１位相差層との間に、前記液晶表示素子の法線方向に光軸を有するとともに層全体で負の一軸性の機能を有する第３位相差層を配置したことを特徴とする液晶表示素子。
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０７８５１６
【国際公開日】平成１７年８月２５日（２００５．８．２５）
【発行日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１７９３２（Ｐ２００５−５１７９３２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００５／００１７５８
【国際出願日】平成１７年２月７日（２００５．２．７）
【出願人】（３０２０２０２０７）東芝松下ディスプレイテクノロジー株式会社 (2,170)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１７年８月２５日（２００５．８．２５）
【発行日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００５／００１７５８
【国際出願日】平成１７年２月７日（２００５．２．７）
【出願人】（３０２０２０２０７）東芝松下ディスプレイテクノロジー株式会社 (2,170)
【Ｆターム（参考）】
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