JP3912907B2

JP3912907B2 - 反射型液晶素子およびこれを用いた液晶表示装置

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Publication number: JP3912907B2
Application number: JP21585698A
Authority: JP
Inventors: 俊輔井上
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-07-30
Filing date: 1998-07-30
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2018-07-30
Also published as: JP2000047187A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶素子、特に、反射型液晶素子、及び、これを用いた液晶表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶素子は、薄型、軽量など数多くの利点を生かして、多くの機器の、主に表示装置として用いられている。そして、その大型表示装置においても、その液晶素子が用いられ、その表示画像を光学的に拡大・投射するプロジェクション・ディスプレイの形で、実用化されている。
【０００３】
特に、近年、反射型液晶素子は、高輝度、高精細なディスプレイを実現する素子として注目されている。一般に、反射型液晶素子を用いたプロジェクション・ディスプレイは、図８に示すように、光源７１、光源７１からの光を集める集光レンズ７２、集められた光を平行光に変換するフレネルレンズ７３、再び集光させるためのフレネルレンズ７５、光源光をＲ、Ｇ、Ｂの３原色に分解するための色分解ミラー７６、液晶素子に平行光を与える視野レンズ７７、液晶素子７８、反射集光を投射光学系に導くためのピンホール７９、投射レンズ群８０、及び、画像を投影するスクリーン８１より構成されている。
【０００４】
なお、光路を折りかえすために、２枚のフレネルレンズ７３、７５の間にミラー７４が配置してある。また、図８では、解り易くするために、３原色の内、１色だけの光学系を示したが、実際には、色分解ミラーは、３原色に対応して複数枚が配置され、例えば、ミラーの角度の違いにより、異なる３枚の液晶素子の方向に光を導くように構成されるのである。また、Ｒ、Ｇ、Ｂの反射光は、全て同じ投射レンズを通して、重ねられた状態で投射される。
【０００５】
図６は、ここでの、液晶素子の構造と、該液晶素子に入出力する光について説明するためのものである。この液晶素子はガラス、石英などの透明基板１０００と、反射電極１００１を有するアクティブマトリクス基板１００２とをほぼ平行に対向させ、この間において、シール材１００３により囲まれた領域内に、液晶物質１００４を保持してある。透明基板１０００のガラス表面の内、光入射側には表面反射防止膜１００５が施され、空気と接しているが、液晶物質と接する面には対向電極となる透明電極１００６が形成されている。
【０００６】
反射型液晶素子では、明るい画像を得るために、入射光１００７に対して、反射電極１００１の表面で反射される反射光１００８を、できるだけ多くとり出すと同時に、コントラスト比をできるだけ大きくするために、空気／ガラス界面での表面反射光１００９、ガラス／液晶界面反射光１０１０を、できるだけ小さくする必要がある。
【０００７】
そのために、通常、図７の（Ａ）に示すように、光源光スペクトルに応じて、例えば、Ｇ色の液晶素子では、表面反射分光スペクトルを、図７の（Ｂ）のように、ガラス／液晶界面反射光の分光スペクトルを、図７の（Ｃ）のようにする。即ち、スペクトルの最大ピーク波長に合わせ、表面反射防止コートおよびガラス／液晶界面反射の最小反射波長を合わせる。実際には、人間の視感度特性はＧ色の５５０（ｎｍ）をピークに、低波長高波長側とも低下するので、特に、Ｒ、Ｂ色では、光源光と視感度特性をかけ算した特性（以下、視感度補正した光源光と称す）のピーク波長に、反射の最小波長を合わせるという方法で、反射防止が行われてきた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の反射防止の設計では、実際に液晶素子の反射を最小に抑えることができなかった。従来例では、図６に示すような液晶素子の反射光の合計が、表面反射分光スペクトルとガラス／液晶界面反射の分光スペクトルの和となるので、５５０（ｎｍ）を中心に、長波長側の反射光は、主に表面反射により増大し、短波長側は、主に界面反射により増大する。光源のスペクトルには、ピーク波長を中心に波長方向にある程度の広がりをもつので、反射防止のために、この広がりに応じて、低反射の波長帯を確保しなければならないが、従来例ではこの点で不充分である。
【０００９】
そこで、表面反射、界面反射とも、液晶素子の膜構成を、更に複雑、多層にすることで、低反射の帯域をより広くとることができるが、コスト、制御性の点で不利である。特に、界面側は透明電極として、ＩＴＯ膜を用いるのが一般的であるために、単層膜の構成では、図７の（Ｃ）に示すように、短波長側で反射が大きくなる特性は避けられない。また、ＩＴＯとガラスの間に、例えば、ＭｇＦ₂などの低屈折率膜を形成しておくこともできるが、所望の反射防止性能を得るためには、ＭｇＦ₂、ＩＴＯとも、±１％程度の膜厚制御が必要となり、量産性が極めて悪くなるという欠点がある。
【００１０】
本発明は、上記事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、長波長側の反射率が持ち上がり易い表面反射防止膜の反射率の最小波長を、より長波長側に設定し、また、短波長側の反射率が持ち上がり易いガラス／液晶界面の最小反射波長を、より短波長にずらすことにより、表面、界面に合わせた反射特性が、より広い低反射帯域を有する反射型液晶素子を提供するにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では、複数の画素電極を有する第１の基板と、第１の面に透明電極を有する透明な第２の基板とを有し、それぞれの電極が向き合うように、両基板が液晶物質を挟んでほぼ平行に対向させ、前記透明電極とは反対側で、第２の基板の第２の面には複数の膜から成る反射防止膜を形成してなる反射型液晶素子において、前記反射防止膜の分光反射率が最小となる波長λ_ARと、前記透明電極による分光反射率の最小波長λ_Tとが（λ_AR＞λ_T）を満たすことを特徴とする。
【００１２】
この場合、本発明の実施の形態として、前記反射防止膜が、弗化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）の３層よりなること、また、第２の基板の第２の面には、前記透明電極が１層のみで形成され、該透明電極が可視光域で屈折率１．６５〜１．９５を有する、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）膜であることが好ましい。
【００１３】
また、本発明では、複数の画素電極を有する第１の基板と、第１の面に透明電極を有する透明な第２の基板とを有し、それぞれの電極が向き合うように、両基板が液晶物質を挟んでほぼ平行に対向させ、前記透明電極とは反対側で、第２の基板の第２の面には複数の膜から成る反射防止膜を形成してなる反射型液晶素子において、前記反射防止膜の分光反射率が最小となる波長λ_ARと、前記透明電極による分光反射率の最小波長λ_Tとが（λ_AR＞λ_T＋７（ｎｍ））を満たすことを特徴とする。
【００１４】
この場合も、前記反射防止膜が、弗化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）の３層よりなること、また、第２の基板の第２の面には、前記透明電極が１層のみで形成され、該透明電極が可視光域で屈折率１．６５〜１．９５を有する、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）膜であることが好ましい。
【００１５】
更に、何れの場合においても、前記液晶物質が、高分子分散型液晶であることが、その好ましい実施の形態である。
【００１６】
このような反射型液晶素子を、Ｒ、Ｇ、Ｂの３原色の色分解、合成系を有し、各３原色に対応する複数の液晶素子を有する液晶表示装置において、少なくとも１つ、例えば、ＲあるいはＢ色に使用することで、好ましい構成の液晶表示装置が得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の反射型液晶素子の基本的な構成は、図１に示すように、複数の画素電極（図示せず）を有する第１の基板（アクティブマトリックス基板）１０２と、第１の面に透明電極１０７を有する透明な第２の基板（ガラス基板）１０１とを有し、それぞれの前記電極が向き合うように、両基板１０１、１０２が、スペーサ１０３で囲まれた領域に注入された液晶物質（高分子分散液晶＝液晶１０５＋ポリマー１０４、即ち、ネットワーク状物質を構成するポリマー１０４のすき間に液晶１０５を埋める）を挟んで、ほぼ平行に対向させ、透明電極１０７とは反対側で、第２の基板１０１の第２の面には複数の膜から成る反射防止膜１０６を形成したものである。
【００１８】
特に、本発明は、この反射型液晶素子において、反射防止膜１０６の分光反射率が最小となる波長λ_ARと、透明電極１０７による分光反射率の最小波長λ_Tとが、（λ_AR＞λ_T）、あるいは、（λ_AR＞λ_T＋７（ｎｍ））を満たすことを特徴とする。なお、この実施の形態では、反射防止膜１０６が、弗化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）の３層よりなる。また、第２の基板１０１の第２の面には、透明電極１０７が１層のみで形成され、しかも、この透明電極１０７が、可視光域で屈折率１．６５〜１．９５を有する、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）膜である。
【００１９】
なお、本発明では、このような反射型液晶素子を、Ｒ、Ｇ、Ｂの３原色の色分解、合成系を有し、各３原色に対応する複数の液晶素子を有する液晶表示装置において、少なくとも１つ、例えば、ＲあるいはＢ色に使用する。
【００２０】
【実施例】
次に、本発明の液晶素子について、その具体例及び性能について、幾つかの事例を提示する。
【００２１】
（実施例１）
本発明の実施例では、図１の構成の液晶素子が用いられるが、その構造パラメータは以下の通りである。
【００２２】

なお、屈折率は波長により数％の違いがある。
【００２３】

なお、光源には１００Ｗの高圧水銀ランプを用いた。ＵＶカット及びレンズ集光後の光源の分散スペクトルは図２の通りである（グラフは最大値で規格化してある）。また、光学系は、従来例と全く同じものを使用した。従って、光源を出た光は、フレネルレンズ２枚を通り、色分解ダイクロミラーによって、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色に分解される。この際、実施例で用いた各色のダイクロミラーの波長カット特性は、図３の（Ａ）〜（Ｃ）の通りである。各色の液晶パネルには、図２の分光スペクトルと図３のカット特性を掛け合わせたものが入射する。
【００２４】
図３の（Ａ）〜（Ｃ）で解るように、本実施例では、カット波長が、それぞれ以下のように設定してある（“カット波長”＝通過率５０％の波長と定義）。
【００２５】
Ｂ：４８５（ｎｍ）
Ｇ：短波長側４８５（ｎｍ）、長波長側５７５（ｎｍ）
Ｒ：５９０（ｎｍ）
従来例でも述べたように、表示素子として、人間が目で見る場合の反射光の強度は、全反射光量を波長に対して、視感度補正を行って決定される。以上を踏まえて、様々な値のλ_T、λ_ARのサンプルを作製し、反射率を測定した結果を以下に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【表２】

【００２８】
【表３】

上記結果から明らかなように、いずれの色においても、表面反射防止の最小波長λ_ARと界面反射防止の最小波長λ_Tを一致させ、変化させた場合の最適値より、低反射となる条件が存在することがわかる。例えば、Ｂ色ではλ_AR＝λ_Tの場合、４６７（ｎｍ）で０．２４％の最小値を得るが、λ_AR＝４８０（ｎｍ）、λ_T＝４６７（ｎｍ）の組合わせの方が０．２３％と低い。Ｇ色もλ_AR＝λ_T＝５４５（ｎｍ）に対し、λ_AR＝５５２（ｎｍ）、λ_T＝５４５（ｎｍ）が最適である。また、Ｒ色ではλ_AR＝６２０（ｎｍ）、λ_T＝６０５（ｎｍ）が最適となった。
【００２９】
図４には、Ｒ、Ｇ、Ｂの最適な反射分光スペクトルを表面、界面の両方（Ａ）（Ｂ）につき測定したものが示されている。ここでは、表面、界面とも、反射率最低の波長を中心軸とした時、分光スペクトルは、波長に対して非対称である。表面の反射防止では、長波長側で反射率が高くなり易く、界面では短波長側で反射率が高くなり易い。従って、ランプのスペクトルのように、ある特定波長を中心に広がりをもつ光に対して、反射防止を最適にするために、表面反射の最小波長と界面反射の最小波長とを故意にずらして設定しておくことが有効である。
【００３０】
なお、本実施例では、反射防止膜として、ＭｇＦ₂／ＺｒＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃構成を用いたが、別の構成例としては、例えば、ＭｇＦ₂の代わりに、Ｙ₂Ｏ₃あるいはＳｉＯ₂を使用することができる。４層構成の場合、低反射率の波長帯域は３層構成より広くすることができるが、成膜コストは上昇する。また、４層構成の場合でも、界面反射の波長非対称性は残るので、本発明に係わる効果は発揮される。
【００３１】
また、本実施例では、ガラスに無アルカリガラス（ＮＨテクノグラスＮＡ−３５、コーニング１７３７など）を用いたが、低アルカリガラス、石英、擬似石英などを使用しても意義は変わらない。石英や擬似石英の場合、屈折率が１．４６程度であり、本実施例のガラスより空気に近いため、この値に適した表面反射防止膜、ＩＴＯ膜を検討する必要がある。更に、本実施例では、液晶材料として高分子分散型を使用したが、反射光がコントラストを低下させる恐れのあるものであれば、液晶材料の如何に拘わらず、本発明は有効である。
【００３２】
本実施例では、アクティブマトリクス基板として、半結晶シリコン上に画素電極およびアクティブマトリクス駆動するための駆動回路を形成した基板を使用したが、反射型である限り、パッシブなマトリクス基板であっても、多結晶ポリシリコンを利用した透明基板であっても、本発明の効果は有効に発揮される。
【００３３】
而して、本発明による反射型液晶素子を、Ｒ、Ｇ、Ｂの全ての色に使用し、従来例の光学系と同じ構成の、３板式投射型液晶表示装置を試作した。そして、本発明の液晶素子により、反射防止が、従来より有効に行うことが可能となったために、特に、液晶表示に際して、色のコントラストの向上に大きく寄与することができた。また、液晶表示素子としての膜構成は、従来より考えられる最も簡単な構成であり、成膜層数が少ないため、透明基板の歩留り向上、コスト低減が可能となり、その結果、液晶表示装置のコスト削減に大きく寄与した。
【００３４】
（実施例２）
本発明の第２の実施例では、構造的に、先述の実施例と同様の液晶素子が採用されるが、ダイクロミラーのカット波長の違いによる最適反射防止条件の違いを、明らかにしている（後述の実験結果を参照）。なお、表面反射防止の構造パラメータ、ＩＴＯ膜の物性定数、ガラスの物性値は、全て、先述の実施例と同じである。また、その評価に用いた光学系も、先述の実施例と同じである。因みに、使用した光源は１００Ｗの高圧水銀ランプである。
【００３５】
なお、ここでは、Ｇ色の液晶素子について、長波長側のカット波長を５７０、５７５、５８０（ｎｍ）と変化させた時の、最適反射防止について、実験を行っている。また、短波長側のカット波長は４８５（ｎｍ）である。
【００３６】
【表４】

【００３７】
【表５】

【００３８】
【表６】

以上の結果から解るように、ダイクロのカット波長に呼応して、表面反射防止、ＩＴＯの最適反射防止が変化する。実験した範囲では、カット波長のずれ量と最適波長のずれ量はほぼ等しい。また、何れの場合においても、本発明の主張である、表面反射防止膜の反射率最小波長が、ガラス／液晶界面の反射率最小波長より大きい値である、という点は実証されている。
【００３９】
上記のダイクロミラーのカット波長の最適値は、液晶表示装置に要求される明るさ、色度、コントラストなどにより変化するため、これらの仕様に基づき、最適な波長が選ばれるのは当然である。従って、表面反射防止及びガラス／液晶界面の反射防止も、上記の仕様に従って、最適化されなければならない。
【００４０】
なお、本実施例では、Ｇ色の長波長側のカット波長について、本発明の有効性を示したが、Ｇ色の短波長側、あるいは、Ｂ色、Ｒ色についても、ダイクロミラーのカット波長により、最適な反射防止が変わる。また、これらの如何なる組合せにおいても、本発明の効果が得られることも言うまでもない。
【００４１】
（実施例３）
本発明による第３の実施例では、光源として、２７０Ｗのメタルハライドランプを使用した場合についての本発明の有効性を示す。図５は、本実施例で使用したメタルハライドランプの分光スペクトルを示している。なお、この実施例で、ダイクロミラーのカット波長は、実施例１と全く同じものを用いた。その測定結果を以下に示す。
【００４２】
【表７】

【００４３】
【表８】

【００４４】
【表９】

ここでは、第１の実施例と同様に、Ｒ、Ｇ、Ｂの、全ての色において、λ_AR＝λ_Tの場合より反射率の低い条件が存在することが解る。また、光源のスペクトルのピーク波長が、高圧水銀ランプとわずかに異なるため、最適な波長が高圧水銀の場合と多少、異なっている。なお、本実施例においても、表面反射防止の反射最小波長を、界面反射防止の最小波長より長波長側にずらすことで、両者を同じ波長にした場合と比較して、効果的な反射防止を行うことができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は、以上詳述したようになり、以下のような効果が得られる。
１最も簡単な膜構成で、液晶素子の反射防止を、従来より最適化することが可能となった。
２また、膜構成が簡単なため、成膜回数が少なく、欠陥の発生率や膜厚の規格はずれの確率が下がり、透明基板の製作歩留り向上につながった。
３液晶素子のコントラストが向上し、コストが低減されたために、この素子を用いて作製した投射型液晶表示装置の性能向上、コスト低減に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す液晶素子の模式断面図である。
【図２】本発明に係わる光源分光スペクトルのグラフである。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明による第１、第２実施例のダイクロカット特性のグラフである。
【図４】（Ａ）は本発明による第１実施例の表面反射スペクトル、（Ｂ）は本発明による第１実施例のガラス／液晶界面反射スペクトルである。
【図５】本発明による第３実施例の光源分光スペクトルである。
【図６】従来例の液晶素子の模式断面図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｃ）は、従来例の光源分光スペクトル、表面反射スペクトル、界面反射スペクトルである。
【図８】従来例の光学性を示す構成図である。
【符号の説明】
１０１第２の基板（ガラス基板）
１０２第１の基板（アクティブマトリックス基板）
１０３スペーサ
１０４ポリマー
１０５液晶
１０６表面反射防止膜
１０７透明電極（ＩＴＯ）

Claims

複数の画素電極を有する第１の基板と、第１の面に透明電極を有する透明な第２の基板とを有し、それぞれの電極が向き合うように、両基板が液晶物質を挟んでほぼ平行に対向させ、前記透明電極とは反対側で、第２の基板の第２の面には複数の膜から成る反射防止膜を形成してなる反射型液晶素子において、
前記反射防止膜の分光反射率が最小となる波長λ_ARと、前記透明電極による分光反射率の最小波長λ_Tとが
λ_AR＞λ_T
を満たすことを特徴とする反射型液晶素子。
前記反射防止膜が、弗化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）の３層よりなることを特徴とする請求項１に記載の反射型液晶素子。
第２の基板の第２の面には、前記透明電極が１層のみで形成され、該透明電極が可視光域で屈折率１．６５〜１．９５を有する、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）で膜であることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の反射型液晶素子。
複数の画素電極を有する第１の基板と、第１の面に透明電極を有する透明な第２の基板とを有し、それぞれの電極が向き合うように、両基板が液晶物質を挟んでほぼ平行に対向させ、前記透明電極とは反対側で、第２の基板の第２の面には複数の膜から成る反射防止膜を形成してなる反射型液晶素子において、
前記反射防止膜の分光反射率が最小となる波長λ_ARと、前記透明電極による分光反射率の最小波長λ_Tとが
λ_AR＞λ_T＋７（ｎｍ）
を満たすことを特徴とする反射型液晶素子。
前記反射防止膜が、弗化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）の３層よりなることを特徴とする請求項４に記載の反射型液晶素子。
第２の基板の第２の面には、前記透明電極が１層のみで形成され、該透明電極が可視光域で屈折率１．６５〜１．９５を有する、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）で膜であることを特徴とする請求項４あるいは５に記載の反射型液晶素子。
前記液晶物質が、高分子分散型液晶であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の反射型液晶素子。
Ｒ、Ｇ、Ｂの３原色の色分解、合成系を有し、各３原色に対応する複数の液晶素子を有する液晶表示装置において、前記液晶素子の内、少なくとも１つが、請求項１〜７の反射型液晶素子であることを特徴とする液晶表示装置。