JP4082426B2 - 液晶装置及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は液晶装置、特に反射型カラー液晶装置に関し、さらにこの液晶装置を搭載した電子機器に関する。

ＰＤＡ等の情報ツールや携帯電話、ウォッチ等の携帯型電子機器用途には、消費電力が小さい反射型液晶装置が適している。しかしながら、従来の反射型液晶装置には、視差によるダブルイメージという課題があった。これは液晶層と反射板との間に下側基板の厚み（例えば0.7mm）分だけの距離が存在するために、本来の表示と重なってその影が生じる現象であって、細かい文字等の表示を認識しづらくする。またドットマトリクス表示の各ドットに対応してカラーフィルタを設け、反射型カラー表示を行う場合にも、やはり視差によって入射光と反射光が異なるカラーフィルタを通過することによって、表示色の鮮やかさが損なわれるという課題があった。

このような課題を解決するために、液晶セル内に金属反射電極を設けて、液晶層と反射板との距離を縮め、視差を解消する方法がAsiaDisplay'95 p.599で内田龍男氏らによって提案された。その構造の概略を図７に示す。図７において、７０１は光散乱板、７０２は偏光板、７０３は位相差板、７０４は上側基板、７０５は下側基板、７０６は透明電極、７０７は金属反射電極である。光散乱板７０１は、金属反射電極による鏡面反射を拡散させ、視角を広げるために設けるが、コントラストを低下させないために前方散乱板を利用する。前方散乱板とは、透過光の散乱（これを前方散乱と呼ぶ）が大きく、反射光の散乱（これを後方散乱と呼ぶ）が殆ど無い光散乱板である。しかしながら、このように理想的な前方散乱板は得難く、実存の前方散乱板は多少なりとも後方散乱を伴うため、図７のような構造ではコントラストの低下が避けられない。

このような場合には、特開平９−１１３８９３号公報に開示されているように、偏光板よりも液晶セル側に光散乱板を配置することが効果的である。このように配置すると光散乱板で後方散乱された光のうち、少なくとも半分は偏光板によって吸収されるために、コントラストが向上するという効果がある。なお先の特開平９−１１３８９３号公報は、用いている光散乱板が特殊であるためもあって、この効果について言及していない。

しかしながら、このように光散乱板を偏光板の下に配置しても、その後方散乱は半減するだけであって、決してゼロにはならず、高いコントラストが得られないという課題があった。

そこで本発明は、光散乱板の位置や軸方向を工夫し、光散乱板による後方散乱を防止することによって、コントラストが高い反射型液晶装置を提供することを目的とする。また、鮮やかな色が表示できる反射型カラー液晶装置を提供することを目的とする。

本発明の液晶装置は、偏光板と、１／２波長板と、１／４波長板と、光散乱板と、透明電極を備えた第１の基板と、液晶層と、金属反射電極を備えた第２の基板とをこの順に配置した液晶装置であって、前記偏光板側から入射した光が、前記１／２波長板及び前記１／４波長板を透過して円偏光の状態で前記光散乱板に到達するように、かつ、前記１／２波長板及び前記１／４波長板を透過した前記光散乱板による後方散乱光が前記偏光板で吸収されるように、前記１／２波長板及び前記１／４波長板の軸方向を設定し、前記光散乱板は、屈折率が異なる２種類の微小領域から構成され、前方散乱が強く後方散乱が小さい光散乱板であることを特徴とする。このように構成したことによって、光散乱板で後方散乱した円偏光が、位相差板によって偏光板の透過軸に直角な直線偏光に変換され、偏光板によって吸収される。従って、本発明の液晶装置は、高いコントラストが得られるという効果を有する。

本発明の液晶装置は、前記位相差板が１／４波長板であり、かつその遅延軸が前記偏光板の吸収軸とほぼ４５度の角度で交差することが好ましい。１／４波長板とは、そのリターデーションが可視光波長の約１／４である位相差板であることが好ましい。またその可視光波長は、最も視感度が高い緑色光の波長を指すことが多い。このように構成したため、最も簡単な構成で光散乱板に到達する光を円偏光に変換し、高いコントラストが得られるという効果を有する。

本発明の液晶装置は、前記位相差板が前記偏光板側から１／２波長板、１／４波長板の順に配置した積層体であり、１／２波長板の遅延軸と偏光板の透過軸とのなす角度をθとすると、１／４波長板の遅延軸と偏光板の透過軸とのなす角度がほぼ２θ＋４５度であることが好ましい。１／２波長板とは、そのリターデーションが可視光波長の約１／２である位相差板である。このように構成したため、光散乱板に到達する広い波長範囲の光を円偏光に変換し、高いコントラストが得られるとともに表示の着色が小さいという効果を有する。

本発明の液晶装置は、前記液晶層に電圧が印加されていないときに、前記偏光板側から入射した光が、直線偏光の状態で金属反射電極に到達するように、液晶層のリターデーションとツイスト角を設定したことが好ましい。このように構成したため、液晶層に電圧が印加されていないときに明るい表示を得ることが出来る。また液晶層に十分な電圧が印加されたときには、液晶層のリターデーションがゼロになるため、暗い表示を得ることが出来る。この暗表示の状態は、位相差板配置によって、光散乱板の後方散乱はもちろん、他の界面反射も全て取り除かれるために、大変黒い。従って、非常にコントラストが高い表示が得られる。

本発明の電子機器は、上記液晶装置を、表示部として備えたことを特徴とする。このように構成したため、本発明の電子機器は、小さい消費電力で高画質な表示を得ることが出来る。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施例１）
図１は本発明に係る液晶装置の構造の要部を示す図である。まず構成を説明する。図１において、１０１は偏光板、１０２は位相差板、１０３は光散乱板、１０４は上側基板、１０５は液晶層、１０６は下側基板、１０７は透明電極、１０８は金属反射電極である。１０１と１０２、１０２と１０３、１０３と１０４は、それぞれ互いに糊で接着している。また上下の基板間は広く離して描いてあるが、これは図を明解にするためであって、実際には数μｍから十数μｍの狭いギャップを保って対向している。なお図示した構成要素以外にも、液晶配向膜や絶縁膜、スペーサー・ボール、シール部、ドライバーＩＣ、駆動回路等の要素も不可欠であるが、これらは本発明を説明する上で特に必要が無く、却って図を複雑にし理解し難くする恐れがあるため、省略した。

次に各構成要素について順に説明する。偏光板１０１は所定の直線偏光成分を吸収し、それ以外の偏光成分を透過する機能を有している。これは現在最も一般に利用されているタイプの偏光板であって、ヨウ素等のハロゲン物質や二色性染料をポリ・ビニル・プチラール等の高分子フィルムに吸着させて作製する。

位相差板１０２は、ポリ・ビニル・アルコール樹脂の一軸延伸フィルムである。そのリターデーションは０．１４μｍであり、可視光の最も視感度が高い緑色光波長の約１／４であることから、１／４波長板として機能する。

光散乱板１０３は、屈折率が異なる２種類の微小領域から構成されるフィルムが好ましい。このように構成されることによって、前方散乱が強く後方散乱が小さい光散乱板が得られる。具体的には、微小なビーズをこれとは屈折率が異なる透明なバインダ中に分散したプラスチックフィルムが利用できる。また屈折率が異なる２種類の微小領域が層構造をなし、特定の角度から入射した光のみを散乱するようにしたプラスチックフィルムを利用してもよい。

液晶層１０５は０度から２７０度ねじれたネマチック液晶組成物が利用できる。ねじれ角は上下ガラス基板表面における配向処理の方向と、液晶に添加するカイラル剤の分量で決定する。

上側基板１０４、下側基板１０６は、いずれも透明ガラス基板である。下側基板は不透明な基板、例えばシリコンウェハー等であっても良い。透明電極１０７はＩＴＯ、金属反射電極１０８はＡｌ−Ｎｄ合金で形成した。

次に具体的な液晶セルの条件を紹介する。まず図１における液晶層１０５のリターデーションを０．２５μｍに設定した。図２は各軸の関係を示す図であり、２０１は偏光板１０１の偏光軸（透過軸）、２０２は位相差板１０２の遅相軸（延伸軸）、２０３は上側基板１０４のラビング軸、２０４は下側基板１０６のラビング軸である。ここで、２０２が２０１と成す角度２１１を左４５度に、２０３が２０１と成す角度２１２を左１０１度に、２０４が２０３となす角度、即ち液晶のねじれ角２１３を左７０度に設定した。なお、角度２１１についてはほぼ４５度に設定されていればよく、多少のずれは問題ない。

以上のように構成した実施例１の液晶装置では、非常にコントラストの高い表示が得られた。その原理を図３を用いて簡単に説明する。

図３において、３０１は偏光板、３０２は位相差板、３０３は光散乱板、３０４は上側基板、３０５は下側基板、３０６は電圧が印加されていない液晶層、３０７は十分に高い電圧が印加された液晶層である。各構成要素の間は、偏光状態を図示するため広く離して描いてある。３１１と３１２は、それぞれ３０６の液晶層と３０７の液晶層に入射する外光であって、これらはあらゆる方向に振動する自然光である。

自然光３１１と３１２は、偏光板３０１によって直線偏光に変換され、さらに位相差板３０２によって左回り円偏光に変換されて、光散乱板３０３に到達する。光散乱板で後方に散乱された光は、右回り円偏光に変換され、位相差板３０２によって再び直線偏光に戻るが、この直線偏光は偏光板３０１の透過軸と直交する方向に振動しているため、偏光板によって吸収される。また上側基板や透明電極の界面で後方に反射した光も、同様に偏光板によって吸収される。これら後方に反射する光は全て表示に寄与しないから、こうした光を吸収することで高いコントラストを得ることが出来る。

一方光散乱板で前方に散乱された光のうち、液晶層３０６に入射した光は、液晶層で直線偏光に変換されて金属反射板に達する。これはあらかじめそうなるように液晶層のリターデーションとツイスト角を設定しておいたからである。反射された光は、全く同じ経路をたどって、元の左回り円偏光に戻される。このような変換は、反射板上で直線偏光になるような変換を行う液晶層について一般的に言えることであり、特開平３−２２３７１５号公報に詳しく説明されている。左回り円偏光は位相差板３０２によって元の直線偏光に戻り、偏光板３０１を通過するため、明表示となる。

また光散乱板で前方に散乱された光のうち、液晶層３０７に入射した光は、液晶が入射光とほぼ平行に並んでいて複屈折を持たないために、左回り円偏光のまま金属反射板に達し、反射されて右回り円偏光になる。この光は先程の光散乱板で後方に散乱された光と同様の経路をたどって、偏光板で吸収されるため、暗表示になる。

このように実施例１の液晶装置は、光散乱板で後方散乱した光や各界面で反射した光を、位相差板と偏光板の組み合わせによって吸収するために、高いコントラストが得られる。また液晶層に十分な電圧を印加した状態を暗表示とすることによって、従来の一枚偏光板型の液晶表示モードでは実現できなかった高いコントラストが得られた。

（実施例２）
図４は本発明に係る液晶装置の構造の要部を示す図である。まず構成を説明する。図４において、４０１は偏光板、４０２は上側位相差板、４０３は下側位相差板、４０４は光散乱板、４０５は上側基板、４０６は液晶層、４０７は下側基板、４０８はカラーフィルタ、４０９は透明電極による走査線、４１０は信号線、４１１は金属反射電極、４１２はＭＩＭ素子である。４０１と４０２、４０２と４０３、４０３と４０４、４０４と４０５は、それぞれ互いに糊で接着している。また上下の基板間は広く離して描いてあるが、これは図を明解にするためであって、実際には数μｍから十数μｍの狭いギャップを保って対向している。また、図４は液晶装置の一部を示しているため、３本の走査線４０９と３本の信号線４１０が交差して出来る３×３のマトリクス、即ち９ドット分しか図示していないが、実際にはさらに多くのドットを有する。なお図示した構成要素以外にも、液晶配向膜や絶縁膜、スペーサー・ボール、シール部、ドライバーＩＣ、駆動回路等の要素も不可欠であるが、これらは本発明を説明する上で特に必要が無く、却って図を複雑にし理解し難くする恐れがあるため、省略した。

位相差板４０２と４０３は、いずれもポリ・カーボネート樹脂の一軸延伸フィルムである。カラーフィルタ４０８は、従来の透過型カラー液晶装置で用いられているものよりも透過率が高く、色が淡いものを利用した。信号線４１０は金属Ｔａで、金属反射電極４１１はＡｌ−Ｎｄ合金で形成した。ＭＩＭ素子４１２は絶縁膜Ｔａ２Ｏ５を金属ＴａとＡｌ―Ｎｄ合金で挟んだ構造である。その他、液晶、光散乱板等の各構成要素は、実施例１と同様なものを利用した。

次に具体的な液晶セルの条件を紹介する。まず図４における上側位相差板４０２、下側位相差板４０３、液晶層４０６のリターデーションを、それぞれ０．２７μｍ、０．２５μｍ、０．１４μｍに設定した。上側位相差板のリターデーションは、可視光の最も視感度が高い緑色光波長の約１／２であることから、１／２波長板として機能する。同様に下側位相差板は１／４波長板として機能する。

図５は実施例２の液晶装置の各軸の関係を示す図であり、５０１は偏光板４０１の偏光軸（透過軸）、５０２は上側位相差板４０２の遅相軸（延伸軸）、５０３は下側位相差板４０３の遅相軸（延伸軸）、５０４は上側基板４０５のラビング軸、５０５は下側基板４０６のラビング軸である。ここで、５０２が５０１と成す角度５１１を左１７度に、５０３が５０１と成す角度５１２を左７９度に、５０４が５０１となす角度５１３を左１３５度に、５０５が５０４となす角度、即ち液晶のねじれ角５１４を左７０度に設定した。１／２波長板の遅延軸と偏光板の透過軸とのなす角をθとすれば、角度５１１がθに相当する。θ＝１７であるから、角度５１２は２θ＋４５＝２×１７＋４５＝７９度に設定した。このような偏光板と位相差板の積層体が、広い波長範囲にわたって円偏光板として機能することについては、特開平５−１００１１４号公報に開示されている。なお、角度５１２はほぼ２θ＋４５に設定すればよい。

以上のようにして作製した実施例２の液晶装置は、液晶セル内部に反射板を有しているため、鮮やかなカラー表示が得られた。しかも、光散乱板で後方散乱した光や各界面で反射した光を、位相差板と偏光板の組み合わせによって吸収するために、高いコントラストが得られた。ＭＩＭアクティブマトリクス方式を採用したことも、高いコントラストを得る上で効果があった。

（実施例３）
本発明の電子機器の例を３つ示す。本発明の液晶装置は、様々な環境下で用いられ、かつ低消費電力が必要とされる携帯機器に適している。

図６（ａ）は携帯電話であり、本体６０１の前面上方部に表示部６０２が設けられる。携帯電話は、屋内屋外を問わずあらゆる環境で利用される。特に自動車内で利用されることが多いが、夜間の車内は大変暗い。従って携帯電話に利用される表示装置は、消費電力が小さい反射型表示をメインに、必要に応じて補助光を利用した透過型表示ができる半透過反射型液晶装置が望ましい。本発明の液晶装置は、例えば図１において金属反射電極１０８の膜厚を薄くし数％の光が透過するようにした上で、下側基板１０６の外側に位相差板、偏光板を配置することによって、簡単に半透過反射型液晶装置に変更することができる。本発明の液晶装置は、反射型表示でも透過型表示でも従来の液晶装置よりコントラスト比が高いという特徴を有する。

図６（ｂ）はウォッチであり、本体６０３の中央に表示部６０４が設けられる。ウォッチ用途における重要な観点は、高級感である。本発明の液晶装置は、コントラストが高いことはもちろん、視差によるダブルイメージがないため、従来の液晶装置と比較して大変に高級感ある表示が得られる。

図６（ｃ）は携帯情報機器であり、本体６０５の上側に表示部６０６、下側に入力部６０７が設けられる。従来このような携帯情報機器には、反射型モノクロ液晶装置を利用することが多かった。透過型カラー液晶装置は、常時バックライトを利用するため消費電力が大きく、連続使用時間が短いからである。このような場合にも本発明の実施例３のような反射型カラー液晶装置を利用すれば、小さな消費電力でカラーの表示が可能であるため、使いやすい携帯情報機器が得られる。

〔発明の効果〕
以上述べたように、本発明によれば、コントラストが高い反射型液晶装置を提供することが出来る。また、鮮やかな色が表示できる反射型カラー液晶装置を提供することが出来る。

本発明の実施例１における液晶装置の、構造の要部を示す図である。 本発明の実施例１における液晶装置の、各軸の関係を示す図である。 本発明の実施例１における液晶装置の、表示の原理を説明するための図である。 本発明の実施例２における液晶装置の、構造の要部を示す図である。 本発明の実施例２における液晶装置の、各軸の関係を示す図である。 本発明の実施例３における電子機器の、外観を示す図である。（ａ）携帯電話、（ｂ）ウォッチ、（ｃ）携帯情報機器。 従来の液晶装置の、構造の要部を示す図である。

符号の説明

１０１ 偏光板
１０２ 位相差板
１０３ 光散乱板
１０４ 上側基板
１０５ 液晶層
１０６ 下側基板
１０７ 透明電極
１０８ 金属反射電極
２０１ 偏光板の偏光軸（透過軸）
２０２ 位相差板の遅相軸（延伸軸）
２０３ 上側基板のラビング軸
２０４ 下側基板のラビング軸
２１１ ２０２が２０１と成す角度
２１２ ２０３が２０１と成す角度
２１３ ２０４が２０３となす角度、即ち液晶のねじれ角

Claims (3)

1. 偏光板と、１／２波長板と、１／４波長板と、光散乱板と、透明電極を備えた第１の基板と、液晶層と、金属反射電極を備えた第２の基板とをこの順に配置した液晶装置であって、
   前記偏光板側から入射した光が、前記１／２波長板及び前記１／４波長板を透過して円偏光の状態で前記光散乱板に到達するように、かつ、前記１／２波長板及び前記１／４波長板を透過した前記光散乱板による後方散乱光が前記偏光板で吸収されるように、前記１／２波長板及び前記１／４波長板の軸方向を設定し、
   前記光散乱板は、屈折率が異なる２種類の微小領域から構成され、前方散乱が強く後方散乱が小さい光散乱板であることを特徴とする液晶装置。
2. 請求項１記載の液晶装置であって、
   前記１／２波長板のリタデーションは、緑色光波長の約１／２波長であり、前記１／４波長板のリタデーションは、緑色光波長の約１／４であることを特徴とする液晶装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の液晶装置を表示部として備えたことを特徴とする電子機器。
   

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