JP2008139769A - 視野角制御液晶パネル - Google Patents

Abstract

【課題】斜め方向から見た場合の光漏れを低減し、視野角制御範囲を広くできる視野角制御液晶パネルを提供する。
【解決手段】一方が表側、他方が裏側にこれらの両方で平行ニコルをなすように配置された２個の偏光子１、１と、該２個の偏光子の間に配置された垂直配向液晶セル８と、該垂直配向液晶セルと前記表側の偏光子の間に配置された負のＣプレートからなる位相差フィルム９とを有する構成とされ、さらに、垂直配向液晶が波長５５０ｎｍの光に対する複屈折Δｎ＝０．０５〜０．１２のもの、および/または、負のＣプレートが可視光領域の波長分散が波長によらずほぼ一定のものとされてなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、視野角制御液晶パネルに関し、特に、液晶を用いて視野角をより狭く制御する視野角制御液晶パネルに関する。また、本発明は、前記視野角制御液晶パネルを用いた液晶表示装置に関する。

近年、携帯端末の普及に伴いディスプレイの使用場所が拡大してきている。このような環境で使用する場合、表示している情報を他人に見られないようにすることが望まれている。このためには、ディスプレイを見ることができる視野角範囲を制限する性能を持ち、さらにそのオンオフを任意に切替えできるフィルタが必要となる。
かかるフィルタとして、従来、例えば図１に示すように、平行配向液晶セル７の両側に、吸収軸が液晶分子６の配向方向と平行となるように、偏光子１を配置（平行ニコルに配置）した視野角制御液晶パネルが提案されている（特許文献１，２）。

電圧により視野角の制御を行う際の挙動について説明する。平行配向液晶セル７では、電圧無印加時の液晶分子６は偏光子吸収軸と平行方向に向いている。ここで、方位角は偏光子１の吸収軸方向を０度と定義する。この状態において、偏光子１を透過した光の偏光方向は、あらゆる入射角度及び方位において液晶分子長軸と直交であり、液晶の複屈折性は生じない。このことから、全方位において入射光の偏光状態が変化しないため、広視野角を実現することができる。

一方、透明電極３、３間に電圧を印加すると、液晶分子６が基板２垂直方向に傾斜した状態になる。このとき方位角９０度の斜め方向から見ると、液晶分子６の長軸方向は偏光子吸収軸と平行でなくなるため液晶の複屈折性が生じ、入射光の偏光状態が変化する。この変化により、極角４０度以上における透過率が非常に小さくなる。つまり、方位角９０度方向における視野角が狭くなる。これにより狭視野角を実現する。
特開２００５−３１６４７０号公報 特開２００６−０９１８７１号公報

しかし、上記従来技術では、偏光子の吸収軸方位に対して９０度の方位については視野角が狭くなっているが、吸収軸から方位角４５度前後すなわち液晶パネルを斜め上や斜め下から見た場合には光漏れが生じ、視野を狭くする機能が弱くなる問題があった。これは吸収軸に対して直交した方位（９０度方位）では偏光子を通過した光の偏光方向と液晶分子の長軸方向とがなす角度が十分大きかったことに対し、斜め方位（吸収軸から４５度前後の方位）においては、その角度が十分に生じないからである。

この偏光変化をポアンカレ球で示すと、図２のようになる。方位角９０度のとき（図２（ａ））は液晶層による偏光変化が大きいために、入射時の偏光が液晶層を通過後偏光子の吸収軸に近づいていることがわかる。一方、方位角４５度のとき（図２（ｂ））は液晶による偏光変化が少ないため、射出時の偏光が偏光子の吸収軸のほぼ反対側となるため光漏れが大きいことがわかる。

本発明は、上述の問題を解決し、斜め方向から見た場合の光漏れを低減し、視野角制御範囲を広くできる視野角制御液晶パネルおよびこれを用いた液晶表示装置を提供することを目的とする。

発明者らは、前記目的を達成する手段を検討し、前記問題の解決のためには斜め方向における十分な偏光状態の変化（リタデーション）を生じさせればよいことを明らかにし、垂直配向液晶セルの上面または下面に位相差フィルムを積層した構造の視野角制御液晶パネルを創案した。
すなわち、本発明は、以下のとおりである。

１． 一方が表側、他方が裏側にこれらの両方で平行ニコルをなすように配置された２個の偏光子と、該２個の偏光子の間に配置された垂直配向液晶セルと、該垂直配向液晶セルと前記表側または裏側の偏光子の間に配置された負のＣプレートからなる位相差フィルムとを有してなり、前記垂直配向液晶セルの液晶は、波長５５０ｎｍの光に対する複屈折Δｎが０．０５〜０．１２である材料からなることを特徴とする視野角制御液晶パネル。
ここで、複屈折Δｎは、Δｎ＝ｎ平行−ｎ垂直、と定義され、ｎ平行とは、液晶分子長軸に平行な方向の屈折率であり、ｎ垂直とは、液晶分子長軸に垂直な方向の屈折率である。

２． 一方が表側、他方が裏側にこれらの両方で平行ニコルをなすように配置された２個の偏光子と、該２個の偏光子の間に配置された垂直配向液晶セルと、該垂直配向液晶セルと前記表側または裏側の偏光子の間に配置された負のＣプレートからなる位相差フィルムとを有してなり、前記負のＣプレートは、可視光領域における波長分散が波長によらずほぼ一定である材料からなることを特徴とする視野角制御液晶パネル。
前項１，２において、負のＣプレートとは、次のように定義される。すなわち、屈折率楕円体における３つの主軸（互いに直交）をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸とし、ｘ−ｙ面がフィルム面に平行、ｚ方向がフィルム厚さ方向に平行であるとし、ｘ、ｙ、ｚの各方向の屈折率をｎｘ、ｎｙ、ｎｚとした時、ｎｘ＝ｎｙを満たす位相差フィルムをＣプレートと称し、さらに、Ｃプレートのうち、ｎｚ＞ｎｘ＝ｎｙを満たすものを正のＣプレート、ｎｚ＜ｎｘ＝ｎｙを満たすものを負のＣプレートという。

３． 前記負のＣプレートは、可視光領域（波長λ＝４００〜７００ｎｍである領域）における波長分散が波長によらずほぼ一定である材料からなることを特徴とする請求項１に記載の視野角制御液晶パネル。
前項２，３において、波長分散とは、λ＝５５０ｎｍにおける位相差角δ（＝リタデーション[ｎｍ]×２π／λ[ｎｍ]）の値δ（550）に対する、λ＝４００〜７００ｎｍの範囲内の任意のλにおける位相差角δの値δ（λ）の比、δ（λ）／δ（550）で定義される。また、波長分散が波長によらずほぼ一定であるとは、
０．６＜δ（λ）／δ（550）＜１．５
であることを意味する。

４． 前記平行ニコルをなすように配置された２個の偏光子の吸収軸方向と前記垂直配向液晶の液晶分子傾斜運動面が直交していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の視野角制御液晶パネル。
５． 前項１〜４のいずれかに記載の視野角制御液晶パネルを用いた液晶表示装置であって、画像表示用液晶パネルに前記視野角制御液晶パネルを重ね合わせてなる液晶表示装置。

本発明によれば、視野を遮断した領域において光の漏れが小さくなるので、視野角制御できる範囲が広い、すなわち視野角制御状態（狭視野角状態）において正面以外では透過率が低い視野角制御液晶パネルが得られる。また、この視野角制御液晶パネルは、広視野角状態での視野角が従来より広いものとなる。従来は、広視野角状態における視野角の広さと狭視野角状態における視野角の狭さがトレードオフであったのに対し、本発明ではそのトレードオフがない。

また、本発明の視野角制御液晶パネルを用いた液晶表示装置（すなわち本発明の液晶表示装置）によれば、正面以外の表示情報視認性を従来よりも低くでき、プライバシー漏洩の危険性がより低いものとなる。

図３は、本発明の実施形態の１例を示す概略構成図である。２個の偏光子１，１は、表側（図の上側）と裏側（図の下側）に１個ずつ、これら２個で平行ニコルをなすように配置されている。偏光子１，１の間には、垂直配向液晶セル８が配置されている。さらに、表側（裏側であってもよい）の偏光子１と垂直配向液晶セル８の間には負のＣプレートからなる位相差フィルム９が配置されている。

垂直配向液晶セル８では、電圧無印加時の液晶分子６の長軸方向は基板２にほぼ垂直である。電圧を印加した時、偏光子１の吸収軸方位では、垂直配向液晶セル８内の垂直配向液晶の位相差の変化により従来の平行配向液晶セルの場合と同様、視野角を狭くできる。ここで、垂直配向液晶セル８に積層した位相差フィルム（負のＣプレート）９は、偏光子１の吸収軸に対して平行、垂直の両方位ではリタデーションが生じないために偏光状態変化は起こらないことから特性に影響を与えない。一方、斜め４５度方向においては、リタデーションが生じ、その方位において十分な偏光状態変化を生じさせることができることから、斜め方向の光漏れを防ぐことができて、本発明の目的を達成することができる。

図３の例における方位角４５度、極角６０度の場合の偏光変化をポアンカレ球で図４に示す。液晶層では偏光変化がほとんど起こらないが、その不足分を補償板（位相差フィルムの意、以下同じ）で補っていることがわかる。図２（ｂ）との比較からわかるように、図４では補償板有の時に偏光子の吸収軸の近くに液晶層からの射出点の偏光状態が位置するので、斜め４５度方向の光漏れが小さくなる。

本発明では、垂直配向液晶には波長５５０ｎｍの光に対する複屈折Δｎ（以下、Δｎ（550）と記す）が０．０５〜０．１２である材料が用いられ、または、負のＣプレートには、可視光領域における波長分散が波長によらずほぼ一定（すなわち、０．６＜δ（λ）／δ（550）＜１．５である）である材料が用いられる。これにより、黒状態の輝度が小さくなる。また、透過率の波長依存性が小さくなる。

本発明の最良の形態では、垂直配向液晶には複屈折Δｎ（550）が０．０５〜０．１２である材料が用いられ、かつ、負のＣプレートには、可視光領域における波長分散が波長によらずほぼ一定（すなわち、０．６＜δ（λ）／δ（550）＜１．５）である材料が用いられる。これにより、黒状態の輝度がさらに一段と小さくなる。また、透過率の波長依存性がさらに一段と小さくなる。なお、より好ましくは、Δｎ（550）＝０．０５〜０．１０、０．７＜δ（λ）／δ（550）＜１．４である。

本発明の最良の形態では、さらに、偏光子の吸収軸方向と垂直配向液晶の液晶分子傾斜運動面とが直交するようにされる。これにより、斜め４５度方向の光漏れが最も小さくなる。
さらに、吸収軸方位については、セル厚等を変化させることにより、透過率を制御する幅を多少変えることが可能である。

本発明の視野角制御液晶パネルの製造方法を図３の例で説明する。上下に用いるガラス基板２、２上に透明電極３を配置し、さらに配向膜３を配置し、三層板とする。この三層板を、配向膜３、３が対向するように上下両側に配して、配向膜３，３間に液晶を封入する。セル厚（液晶層の厚さ）はスペーサ５で設定する。配向膜３は透明電極３上に塗布するだけでよい。配向膜３をラビング処理しなくても、封入された液晶は、液晶分子６が基板平面とほぼ垂直方向に配向し、垂直配向液晶を形成する。（従来の視野角制御液晶パネルに用いる平行配向液晶セルの場合は、平行配向液晶とするために、配向膜３をラビング処理する必要がある。）ただし、液晶分子傾斜運動面を一方向に定める場合は、ラビング処理、透明電極のパターン化または突起構造物形成等の表面処理を行う。

その後、上側のガラス基板２の上に位相差フィルム９を配置し、その上に表側の偏光子１を配置する。また、下側のガラス基板２の下に裏側の偏光子１を配置する。表側の偏光子１と裏側の偏光子１とは互いに平行ニコルをなすように配置する。より好ましくは、これら偏光子の吸収軸が垂直配向液晶の液晶分子傾斜運動面と直交するように配置する。
本発明では、図３の例において、ガラス基板に代えて、透明プラスチック基板としてもよい。

液晶材料としては、ＭＬＣ２０３８，ＭＬＣ２０３７，ＭＬＣ２０３９（いずれもメルク社製）などが好ましく用いうる。より好ましくは、複屈折Δｎ（550）が０．０５により近い材料であり、ＭＬＣ２０３７が挙げられる。
位相差フィルム（負のＣプレート）の材料としては、ポリノルポルネン系材料などが好ましく用いうる。より好ましくは、波長分散（δ（λ）／δ（550））が１．０に近い材料であり、変成ポリカーボネートが挙げられる。

（比較例）
比較例として、図１の構成になる視野角制御液晶パネルを作製し、視野角特性を調べた。液晶材料にはＴＤ６００４（チッソ社製、複屈折Δｎ（550）＝０．１６）を用い、セル厚は５μｍとした。電圧無印加時は広視野角状態、電圧（２．８Ｖ）印加時は狭視野角状態になる。視野角特性の調査結果を図５、図６に示す。なお、透過率は最大１．０である。

（本発明例１）
本発明例１として、図３の構成になる視野角制御液晶パネルを作製し、視野角特性を調べた。液晶材料にはＭＬＣ２０３８（複屈折Δｎ（550）＝０．１０）を用い、セル厚は７μｍとした。負のＣプレートには、材料が変成ポリカーボネートで、波長５５０ｎｍの光に対する位相差Ｒｅ（550）（＝（ｎｘ−ｎｚ）×ｄ；ｄは厚さ）が６２０ｎｍのもの（波長分散は、０．７＜δ（λ）／δ（550）＜１．４）を用いた。電圧無印加時は広視野角状態、電圧（２．２Ｖ）印加時は狭視野角状態になる。偏光子の吸収軸方向は垂直配向液晶の液晶分子傾斜運動面に直交（すなわち両者のなす角度は９０度）とした。視野角特性の調査結果を図７、図８に示す。比較例の結果（図５、図６）と比べ、方位角４５度前後での光漏れが抑えられていることがわかる。

また、本発明の液晶表示装置は、画像表示用液晶パネルに本発明の視野角制御液晶パネルを重ね合わせて構成される。両パネルとも表裏両面側に偏光子を有するから、これらを重ね合わせた時の界面両側に各１枚（計２枚）の偏光子が相対して存在する（液晶表示装置全体では、表裏両面側の各１枚（計２枚）と内部の相対する２枚とで合計４枚の偏光子を有する）。前記相対する２枚の偏光子はこれらを１枚の偏光子で置き換えることができるから、該置き換えた形態を有する液晶表示装置（液晶表示装置全体では、表裏両面側の各１枚（計２枚）と内部の１枚とで合計３枚の偏光子を有する）も本発明の液晶表示装置に含まれる。

（本発明例２）
本発明例２として、図３の構成になる視野角制御液晶パネルを作製し、視野角特性を調べた。液晶材料にはＭＬＣ２０３８（複屈折Δｎ（550）＝０．１０）を用い、セル厚は７μｍとした。負のＣプレートには、材料が変成ポリカーボネートで、Ｒｅ（550）が６２０ｎｍのもの（波長分散は、０．７＜δ（λ）／δ（550）＜１．４）を用いた。電圧無印加時は広視野角状態、電圧（２．２Ｖ）印加時は狭視野角状態になる。偏光子の吸収軸方向は垂直配向液晶の液晶分子傾斜運動面に平行（すなわち両者のなす角度は０度）とした。視野角特性の調査結果を図９（狭視野角状態）に示す。比較例の図５（ｂ）（狭視野角状態）と比べ、方位角４５度前後での光漏れが抑えられていることがわかる。

また、図９と図７（ｂ）（ともに狭視野角状態）の比較から、偏光子の吸収軸方向を垂直配向液晶の液晶分子傾斜運動面に平行とした本発明例２よりも、偏光子の吸収軸方向を垂直配向液晶の液晶分子傾斜運動面に直交とした本発明例１の方が、より光漏れが抑えられていることがわかる。

本発明例１において、垂直配向液晶の液晶材料として、前記ＭＬＣ２０３８（複屈折Δｎ（550）＝０．１０；液晶Ｂと称する）に代えて、比較例で用いたＴＤ６００４（複屈折Δｎ（550）＝０．１６；液晶Ａと称する）を用いた（この点以外は本発明例１に同じとした）視野角制御液晶パネルを作製し、比較例Ａ１とした。比較例Ａ１（液晶Ａ使用）と本発明例１（液晶Ｂ使用）について、可視光領域（λ＝４００〜７００ｎｍ）の波長λに対する方位角０度、極角６０度における透過率の変化を測定した結果を図１０（ａ）に示す。比較例Ａ１（液晶Ａ使用）と比べ本発明例１（液晶Ｂ使用）では、透過率の波長依存性が小さいことがわかる。

本発明例１において、負のＣプレートとして、本発明例１で用いた品（材料が変成ポリカーボネートで、Ｒｅ（550）が６２０ｎｍで、波長分散が、０．７＜δ（λ）／δ（550）＜１．４、であるもの；位相差フィルムＢと称する）に代えて、材料がポリカーボネートで、Ｒｅ（550）が６２０ｎｍで、波長分散が、０．７＜δ（λ）／δ（550）＜１．６、である品（；位相差フィルムＡと称する）を用いた（この点以外は本発明例１に同じとした）視野角制御液晶パネルを作製し、比較例Ａ２とした。比較例Ａ２（位相差フィルムＡ使用）と本発明例１（位相差フィルムＢ使用）について、可視光領域（λ＝４００〜７００ｎｍ）の波長λに対する方位角４５度、極角６０度における透過率の変化を測定した結果を図１０（ａ）に示す。比較例Ａ１（位相差フィルムＡ使用）と比べ本発明例１（位相差フィルムＢ使用）では、透過率の波長依存性が小さいことがわかる。

従来の視野角制御液晶パネルの１例を示す概略構成図である。 平行配向液晶セルの偏光変化を示すポアンカレ球の北極側からの透視平面図（（ａ）は方位角９０度、極角６０度のとき、（ｂ）は方位角４５度、極角６０度のとき）である。 本発明の視野角制御液晶パネルの１例を示す概略構成図である。 垂直配向液晶セルの偏光変化を示すポアンカレ球の北極側からの透視平面図（方位角４５度、極角６０度のとき）である。 比較例の視野角特性を示す、方位角（円周方向座標）０〜３６０度、極角（半径方向座標）０〜８０度の範囲における等透過率線図（（ａ）は広視野角状態、（ｂ）は狭視野角状態）である。 比較例の狭視野角状態の視野角特性を示す、（ａ）方位角９０度、（ｂ）方位角４５度での入射角に対する透過率曲線図である。 本発明例１の視野角特性を示す、方位角（円周方向座標）０〜３６０度、極角（半径方向座標）０〜８０度の範囲における等透過率線図（（ａ）は広視野角状態、（ｂ）は狭視野角状態）である。 本発明例１の狭視野角状態の視野角特性を示す、（ａ）方位角９０度、（ｂ）方位角４５度での入射角に対する透過率曲線図である。 本発明例２の狭視野角状態の視野角特性を示す、方位角（円周方向座標）０〜３６０度、極角（半径方向座標）０〜８０度の範囲における等透過率線図である。 （ａ）本発明例１（液晶Ｂ使用）と比較例Ａ１（液晶Ａ使用）の方位角０度、極角６０度における透過率の波長依存性、および（ｂ）本発明例１（位相差フィルムＢ使用）と比較例Ａ２（位相差フィルムＡ使用）の方位角４５度、極角６０度における透過率の波長依存性を示すグラフである。

符号の説明

１ 偏光子
２ 基板（ガラス基板）
３ 透明電極
４ 配向膜
５ スペーサ
６ 液晶分子
７ 平行配向液晶セル
８ 垂直配向液晶セル
９ 位相差フィルム（負のＣプレート）

Claims (5)

1. 一方が表側、他方が裏側にこれらの両方で平行ニコルをなすように配置された２個の偏光子と、該２個の偏光子の間に配置された垂直配向液晶セルと、該垂直配向液晶セルと前記表側または裏側の偏光子の間に配置された負のＣプレートからなる位相差フィルムとを有してなり、前記垂直配向液晶セルの液晶は、波長５５０ｎｍの光に対する複屈折Δｎが０．０５〜０．１２である材料からなることを特徴とする視野角制御液晶パネル。
2. 一方が表側、他方が裏側にこれらの両方で平行ニコルをなすように配置された２個の偏光子と、該２個の偏光子の間に配置された垂直配向液晶セルと、該垂直配向液晶セルと前記表側または裏側の偏光子の間に配置された負のＣプレートからなる位相差フィルムとを有してなり、前記負のＣプレートは、可視光領域における波長分散が波長によらずほぼ一定である材料からなることを特徴とする視野角制御液晶パネル。
3. 前記負のＣプレートは、可視光領域における波長分散が波長によらずほぼ一定である材料からなることを特徴とする請求項１に記載の視野角制御液晶パネル。
4. 前記平行ニコルをなすように配置された２個の偏光子の吸収軸方向と前記垂直配向液晶の液晶分子傾斜運動面が直交していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の視野角制御液晶パネル。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の視野角制御液晶パネルを用いた液晶表示装置であって、画像表示用液晶パネルに前記視野角制御液晶パネルを重ね合わせてなる液晶表示装置。

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