JP2004226830A

JP2004226830A - 液晶表示装置及び電子機器

Info

Publication number: JP2004226830A
Application number: JP2003016219A
Authority: JP
Inventors: Hayato Kurasawa; 隼人倉澤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2003-01-24
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】表示輝度の改善、及び視野角の改善、並びにバックライト光の利用効率の改善を実現した表示品質に優れる反射型、あるいは半透過反射型の液晶表示装置を提供する。
【解決手段】互いに対向して配置された上基板と下基板の間に、ＴＮモードの液晶層１６が挟持され、前記液晶層の上基板側に上偏光板が設けられた液晶表示装置において、前記下基板の内面側に設けられた、有限のチルト角を有して配向された液晶性化合物を主体とする位相差層２０を構成する高分子液晶２０ａのダイレクタ２０ｄが、平面視において当該液晶表示装置の明視方向と略平行かつ略逆向きに配向されている
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置及び電子機器に関し、特に、特に、半透過反射型の液晶表示装置であって、反射モードのみならず、透過モード時にも十分に明るい表示が可能な優れた視認性を有する液晶表示装置の構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、明るい場所では、通常の反射型の液晶表示装置と同様に外光を利用し、暗い場所では、内部の光源により表示を視認可能にした液晶表示装置が提案されている。この液晶表示装置は、反射型と透過型を兼ね備えた表示方式を採用しており、周囲の明るさに応じて反射表示または透過表示のいずれかの表示方式に切り替えることにより、消費電力を低減しつつ周囲が暗い場合でも明瞭な表示を行うことができる。
【０００３】
図１５は、この種の半透過反射膜を用いた半透過反射型液晶表示装置の一例を示す断面構造図であり、本出願人により出願された特許文献１に記載の構成を有する液晶表示装置である。
この液晶表示装置１００では、一対のガラス基板１０１，１０２間に液晶層１０３が挟持されており、下基板１０１の内面に、開口部１０４ａを有する半透過反射層１０４、インジウム錫酸化物（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ，以下、ＩＴＯと略記する）等の透明導電膜からなる透明電極１０８が積層され、透明電極１０８を覆うように配向膜１０７が形成されている。一方、上基板１０２の内面には、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる透明電極１１２が形成され、この透明電極１１２を覆うように配向膜１１３が形成されている。また、上基板１０２の外面側には、上基板１０２側から順に２枚の位相差板１１８、１１９（これら位相差板は１／４波長板１２０として機能する）、上偏光板１１４が配置され、下基板１０１の外面側には、１／４波長板１１５、下偏光板１１６がこの順に設けられている。また、光源１２２、導光板１２３、反射板１２４等からなるバックライト１１７（照明手段）が下偏光板１１６の下方に配置されている。なお、１／４波長板１１５，１２０は、ある波長帯域において直線偏光をほぼ円偏光にすることができるものである。
【０００４】
上記構成の液晶表示装置１００によれば、外光の有無に関わらず表示の視認が可能ではあるものの、反射表示に比べて透過表示の明るさが不足するという問題があった。その原因の一つは、バックライト１１７から出射された光のうち、半透過反射層１０４の開口部１０４ａを通過しない光は、半透過反射層１０４の裏面で反射されると、回転方向が反転した円偏光となり、１／４波長板１１５を透過すると下偏光板１１６の透過軸と垂直な直線偏光になる。そして、この直線偏光が下偏光板１１６によって吸収されることになり、バックライトから出射された光の利用効率が低くなってしまうことにある。
【０００５】
これに対して、特許文献２に記載の、液晶パネルの内面側に円偏光層を設けた構成では、バックライト光の利用効率を高めることが可能になっている。この円偏光層は、特定の回転方向の円偏光を透過し、逆回りの円偏光を反射する特性を有する光学層であり、上記円偏光層で反射された光をバックライト側へ戻して再利用するようになっている。さらに、係る文献には、上記円偏光層の液晶層側に液晶性化合物からなる位相差層を設け、円偏光層を透過した光を直線偏光に変換することで直線偏光による表示を行う構成が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３２３５１０２号公報
【特許文献２】
特開平９−２５８２１０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献２に記載の技術を特許文献１に記載の液晶表示装置に適用すれば、バックライト光の利用効率を向上させることができ、表示の明るさを改善できると考えられる。しかしながら、係る効果が得られるのは半透過反射型液晶表示装置の透過表示領域に限ってである。また、特許文献２にも反射型、あるいは半透過反射型の液晶表示装置に適用するための記載はなされていない。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、表示輝度の改善、及び視野角の改善、並びにバックライト光の利用効率の改善を実現した表示品質に優れる反射型、あるいは半透過反射型の液晶表示装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために以下の構成の液晶表示装置、及び電子機器を提供する。
本発明の液晶表示装置は、互いに対向して配置された上基板と下基板の間に、ＴＮモードの液晶層が挟持された液晶表示装置において、前記液晶層の上基板側に上偏光板が設けられ、前記下基板の内面側に、基板側から順に反射層と、有限のチルト角を有して配向された液晶性化合物を主体とする位相差層とが設けられており、前記位相差層を構成する液晶性化合物のダイレクタが、平面視において当該液晶表示装置の明視方向と略平行かつ略逆向きに配向されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る液晶表示装置は、反射表示を行うための反射層の液晶層側に位相差層を備えており、かつ位相差層を構成する液晶性化合物のダイレクタが、当該液晶表示装置の明視方向に対して上記方位関係となるように配置されていることで、反射表示における視角特性を改善し、広い視角で高コントラストの表示が得られるようになっている。尚、本発明者は上記位相差層の高分子液晶の配向方向が適切であることを、試作した液晶表示装置を用いて検証しており、その詳細は（実施例）の項に記載している。
尚、上記液晶性化合物のダイレクタの方向は、液晶層を構成する液晶分子のダイレクタと同様に、液晶性化合物の長手方向に沿って、水平面から上基板側に起きあがる方向を指すベクトルの方向を指す。また、上記明視方向は、ＴＮモードの液晶層においては、その層厚方向ほぼ中央に配置された液晶分子のダイレクタの方向である。
【００１１】
次に、本発明の液晶表示装置は、互いに対向して配置された上基板と下基板の間に、ＴＮモードの液晶層が挟持され、１ドット領域内に透過表示領域と反射表示領域とを有する半透過反射型液晶表示装置において、前記液晶層の上基板側に上偏光板が設けられ、前記下基板の内面側の前記反射表示領域に基板側から順に反射層と、有限のチルト角を有して配向された液晶性化合物を主体とする位相差層とが設けられており、前記位相差層を構成する液晶性化合物のダイレクタが、平面視において当該液晶表示装置の明視方向と略平行かつ略逆向きに配向されており、選択電圧印加時、非選択電圧印加時のいずれか一方において、前記透過表示領域における前記液晶層の位相差が前記反射表示領域における前記液晶層の位相差よりも大きいことを特徴とする。
【００１２】
上記構成は、前記の反射型液晶表示装置の構成を、半透過反射型液晶表示装置に適用したものであり、その反射表示領域において、反射層上に位相差層が設けられ、位相差層を構成する高分子液晶のダイレクタが、当該液晶表示装置の明視方向と平面視略平行かつ略逆向きとされている。係る構成の液晶表示装置によれば、反射表示において広い視角範囲で高コントラストの表示が得られ、かつ従来の半透過反射型液晶表示装置の透過表示の輝度が不足するという問題点も解決できるものである。
【００１３】
すなわち、上記構成では、下基板の内面の反射表示領域にのみ位相差層を設け、この位相差層の存在により反射表示領域にのみ位相差が付加されるのを補償すべく、透過表示領域での液晶層の位相差を反射表示領域での液晶層の位相差よりも大きくされている。この構成においては、位相差層、液晶層の位相差等の設定条件によって透過表示において直線偏光のみで表示を行うことが可能となり、下側の位相差板のみならず、上側の位相差板も不要とすることができる。その結果、従来の構成において円偏光の略半分が上偏光板で吸収されることで透過表示が暗くなる問題を解決することができ、従来に比べて透過表示を明るくすることができる。また、従来に比べて構造が簡単になり、装置の薄型化を図ることができる。なお、本発明の液晶表示装置の表示原理については（発明の実施の形態）の項で説明する。
【００１４】
本発明の液晶表示装置では、前記位相差層を構成する液晶性化合物が、チルト構造を成して配向されており、前記液晶性化合物の平均チルト角が、２°以上３５°以下であることが好ましい。上記平均チルト角が２°未満では、視角の改善効果がほとんど得られない。また、３５°を越えるチルト角では、視角特性が低下する。具体的には、液晶表示装置の正面でコントラストが最大とならずに、斜め方向から視認した場合にコントラストが最大となるため、観察者に視認される実質的なコントラストが低下することになる。また、上記３５°を越えるチルト角では、駆動電圧が上昇する傾向になるため、消費電力の点からも好ましくない。
【００１５】
本発明の液晶表示装置では、前記位相差層を構成する液晶性化合物の平均チルト角が、１０°以上２５°以下であることが好ましい。
このような構成とすることで、液晶表示装置正面の観察者左右方向で対称な視角特性を有する、特に視認性に優れた液晶表示装置が得られる。
【００１６】
また本発明の液晶表示装置では、前記位相差層を構成する液晶性化合物が、スプレイ構造を成して配向されている構成とすることもできる。
上記構成であっても、本発明の液晶表示装置は、広い視角で明るい表示が得られる。
【００１７】
本発明の液晶表示装置では、前記透過表示領域における液晶層厚が、前記反射表示領域における液晶層厚よりも大きいことが好ましい。このような構成とすることで、液晶層を透過する光に対する複屈折作用を、透過表示領域と反射表示領域とで近づけることができ、表示コントラストの改善を図ることができる。
【００１８】
本発明の液晶表示装置では、前記透過表示領域における液晶層厚が、前記反射表示領域における液晶層厚の略２倍であることが好ましい。
すなわち、透過表示領域での液晶層の位相差を反射表示領域での液晶層の位相差よりも大きくする手段としては、例えば液晶層の厚さをｄ、液晶の屈折率異方性をΔｎとしたときに、複屈折位相差（リタデーション）はこれらの積Δｎ・ｄで表されるので、液晶層の厚さｄ、液晶の屈折率異方性Δｎの少なくともいずれか一方を透過表示領域と反射表示領域とで異ならせればよい。しかしながら、実際には透過表示領域と反射表示領域で液晶の屈折率異方性Δｎを大きく変えるのは困難なので、透過表示領域における液晶層の層厚を反射表示領域における液晶層の層厚よりも大きく設定することが容易である。
上記構成はいわゆるマルチギャップ構造を備えた液晶表示装置であり、本発明の液晶表示装置に係る構成を導入するすることで、透過表示領域における液晶層の実質的リタデーションと反射表示領域の実質的リタデーションを容易に揃えることができ、高コントラストの液晶表示装置を実現できる。
【００１９】
本発明の液晶表示装置では、前記反射表示領域における液晶層のΔｎｄが、０．１３以上０．３４以下であることが好ましい。上記範囲とすることで、高輝度、高コントラストの反射表示が得られる。上記範囲を超えると、輝度及びコントラストが低下する傾向になり好ましくない。
【００２０】
本発明の液晶表示装置では、前記位相差層が、透過光に対して略１／４波長の複屈折位相差を付与するものとされていることが好ましい。
上記構成とすることで、例えば透過表示領域の液晶層のリタデーションを１／２波長とし、反射表示領域のリタデーションを１／４波長とした場合に、反射表示と透過表示とで上偏光板の透過時の偏光状態を略同一方向の直線偏光に揃えることができ、また反射表示領域におけるリタデーションと透過表示領域におけるリタデーションを略等しくされるので、光の利用効率を最も向上でき、透過表示が最も明るい構成とすることができる。また、コントラストの高い表示を得ることができる。
【００２１】
次に、本発明の電子機器は、先に記載の本発明の液晶表示装置を備えたことを特徴とする。係る構成によれば、透過表示、反射表示のいずれにおいても高輝度、高コントラストの表示が得られ、かつ広視野角の反射表示が得られる表示部を備えた電子機器を提供することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本実施の形態の液晶表示装置の概略構成を示す断面図であり、図２はその表示原理を説明するための図であって、表示原理の説明に必要な構成要素のみを示す図である。また、本実施の形態はアクティブマトリクス方式の半透過反射型カラー液晶表示装置の例である。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。
【００２３】
本実施の形態の液晶表示装置１０は、図１に示すように、液晶セル１１とバックライト１２（照明装置）とを備えたものである。液晶セル１１は、下基板１３と上基板１４とが対向配置され、これら上基板１４と下基板１３と挟まれた空間にＴＮ（ＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）液晶等が封入されて液晶層１６が形成されている。そして、液晶セル１１の後面側（下基板１３の外面側）にバックライト１２が配置されている。
【００２４】
ガラスやプラスチックなどの透光性材料からなる下基板１３の内面側には、アルミニウム、銀、またはこれらの合金等の反射率の高い金属膜からなる半透過反射層１８が形成されている。半透過反射層１８には、バックライト１２から出射された光を透過させるための開口部１８ａが各画素毎に設けられており、半透過反射層１８の形成領域のうち、実際に金属膜が存在している部分が反射表示領域Ｒ、開口部１８ａの部分が透過表示領域Ｔを構成している。
【００２５】
反射表示領域Ｒにおける半透過反射層１８上には、位相差層２０と、保護層２１とが基板側から順次積層されている。位相差層２０は例えば高分子液晶等の液晶性化合物から構成され、係る位相差層２０を透過する光に対して１／４波長の複屈折位相差を付与するものである。保護層２１は、例えばアクリル系感光性樹脂等の絶縁膜から構成されている。
【００２６】
これら位相差層２０および保護層２１は、例えば以下の２通りの方法によって形成することができる。
第１の方法は、まず最初に、半透過反射層１８を形成した基板上に配向膜材料であるＳＥ−３１４０（商品名、日産化学（株）製）をスピンコート法、あるいはフレキソ印刷法で塗布、焼成した後、ラビング処理を行う。次に、この配向膜上に高分子液晶溶液をスピンコート法（例えば回転数７００ｒｐｍで３０秒）により塗布する。ここで用いる高分子液晶は、例えばＰＬＣ−７０２３（商品名、旭電化工業（株）製）の８％溶液であり、溶媒はシクロヘキサノンとメチルエチルケトンの混合液、アイソトロピック転移温度が１７０℃、屈折率異方性Δｎが０．２１のものである。
【００２７】
次に、高分子液晶層のプレベイクを８０℃で１分間行い、さらに高分子液晶のアイソトロピック転移温度（１７０℃）以上となる１８０℃で３０分間加熱した後、徐々に冷却して高分子液晶を配向させる。本発明者らがこの条件で実際に製造したところ、膜厚は６３０ｎｍ、位相差は１３３ｎｍが得られている。
【００２８】
次に、保護層の材料としてアクリル系感光性樹脂ＮＮ−５２５（商品名、ＪＳＲ（株）製）をスピンコート法（例えば回転数７００ｒｐｍで３０秒）で塗布する。このとき、膜厚は２．３μｍであった。次に、保護層のプレベイクを８０℃で３分間行った後、フォトマスクを用いた露光（例えば露光強度が１４０ｍＪ／ｃｍ^２、３５０ｎｍに感度を持つ紫外線光量計で測定した値）を行い、アルカリ性現像液中に室温で９０秒浸漬して現像を行い、反射表示領域にのみ保護層を残存させる。なお、上記のアクリル系感光性樹脂はネガ型のため、反射表示領域が露光されるようにフォトマスクを形成しておく必要がある。
【００２９】
次に、保護層を完全に硬化させるため、ポスト露光を露光強度２０００ｍＪ／ｃｍ^２で行う。なお、１０００ｍＪ／ｃｍ^２以下では次工程の高分子液晶の現像時に保護層の剥離が生じたが、１３００ｍＪ／ｃｍ^２以上では問題なかったので、２０００ｍＪ／ｃｍ^２と設定した。次いで、Ｎメチル−２ピロリジノンからなるエッチング液に室温で３０分間浸漬し、高分子液晶のエッチングを行う。次いで、この基板を８０℃で３分間乾燥することにより、高分子液晶からなる位相差層２０とアクリル系感光性樹脂からなる保護層２１が形成される。
【００３０】
第２の方法は、第１の方法と同様にして配向膜を形成した基板上に、液晶性モノマーであるＵＶキュアラブル液晶ＵＣＬ−００８−Ｋ１（商品名、大日本インキ化学工業（株）製）の溶液を、スピンコート法（例えば回転数７００ｒｐｍで３０秒）により塗布する。ここで用いる液晶性モノマー溶液は、Ｎメチル−２ピロリジノンとγ−ブチロラクトンの混合溶媒に２５％に希釈したものであり、アイソトロピック転移温度が６９℃、屈折率異方性Δｎが０．２０である。
【００３１】
次に、液晶性モノマーを６０℃で５分間乾燥させ、アイソトロピック転移温度（６９℃）以上となる９０℃で５分間加熱した後、徐々に冷却して液晶性モノマーを配向させる。本発明者らがこの条件で実際に製造したところ、膜厚は６５０ｎｍが得られた。次いで、フォトマスクを用いた露光（例えば露光強度が３０００ｍＪ／ｃｍ^２）を行うことにより液晶性モノマーを局所的に光重合させた後、アルカリ性現像液、もしくはケトン系有機溶剤中に６０秒浸漬して現像を行い、反射表示領域にのみ液晶性モノマー重合体を残存させる。これにより、液晶性モノマー重合体からなる位相差層２０が形成される。その後、第１の方法と同様に、位相差層２０上に保護層２１を形成すればよい。
【００３２】
このように、本実施の形態の液晶表示装置１０においては、反射表示領域Ｒにのみ位相差層２０、保護層２１が設けられたことにより、反射表示領域Ｒと透過表示領域Ｔとの間に段差が形成されている。そして、この段差に沿ってＩＴＯ等の透明導電膜からなる画素電極２３が形成され、画素電極２３を覆うようにポリイミド等からなる配向膜２４が積層されている。本実施の形態の場合、下基板１３はＴＦＴ等の画素スイッチング素子、データ線、走査線等が形成された素子基板から構成されているが、図１においては画素スイッチング素子、データ線、走査線等の図示は省略している。また、下基板１３の外面側には下偏光板２８が設けられており、従来の位相差板は設けられていない。
【００３３】
一方、ガラスやプラスチックなどの透光性材料からなる上基板１４の内面側には、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる共通電極３２、ポリイミド等からなる配向膜３３が順次積層されている。また、上基板１４の外面側には上偏光板３６が設けられており、従来の位相差板は設けられていない。なお、図示を省略したが、上基板の内面側にはＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色素層を有するカラーフィルタが設けられている。
【００３４】
上基板１４と下基板１３との間に挟持された液晶層１６は、反射表示領域Ｒのみに位相差層２０と保護層２１が設けられ、これらの層が液晶層１６側に突出するように形成されたことにより、反射表示領域Ｒと透過表示領域Ｔとでその層厚が異なっている。本実施の形態の場合、保護層２１の膜厚は位相差層２０の膜厚の略４倍程度であり、液晶層１６の層厚は主に保護層２１の膜厚によって調整されている。具体的には、透過表示領域Ｔの液晶層１６の層厚は反射表示領域Ｒの液晶層１６の層厚の略２倍となっている。そして、液晶層１６の材料としてポジ型の晶が用いられ、選択電圧印加（電圧オン）時には電界方向に沿って液晶分子が立ち上がり、液晶層１６の位相のずれが反射表示領域Ｒ、透過表示領域Ｔともに０となる一方、非選択電圧印加（電圧オフ）時には液晶分子が寝た状態となり、液晶層１６のリタデーションが反射表示領域Ｒでは１／４波長、透過表示領域Ｔでは１／２波長となるように、液晶の屈折率異方性Δｎおよび液晶層厚ｄが設定されている。上基板１４のラビング軸と上偏光板３６の透過軸とが垂直または平行であり、液晶層１６の液晶分子が、非選択電圧印加時において上基板１４と下基板１３との間で９０°ツイストした状態となっている。
【００３５】
また、バックライト１２は、光源３７と反射板３８と導光板３９を有しており、導光板３９の下面側（液晶パネル１と反対側）には、導光板３９中を透過する光を液晶セル１１側に向けて出射させるための反射板４０が設けられている。
【００３６】
上記構成を備えた本実施形態の液晶表示装置は、反射表示領域Ｒにあたる領域に形成された位相差層２０の液晶性化合物のダイレクタと、液晶層１６の液晶分子のダイレクタとの方位関係を適切に調整することで、反射表示において広い視角範囲で明るい表示が得られるようになっている。この位相差層２０及び液晶層１６との関係を、図２の説明図を参照して以下に説明する。
【００３７】
図２（ａ）は、図１に示す液晶層１６と位相差層２０とを示す断面構成図であり、図２（ｂ）は、同平面構成図である。これらの図では、上記各層を構成する液晶分子（１６ａ、２０ａ）を模式的に示している。
図２（ａ）、図２（ｂ）には、液晶層１６の非選択電圧印加状態が示されており、液晶層１６を構成する液晶分子１６ａは、図２（ａ）左右方向に横たわるように配向されており、液晶層１６の層厚方向ほぼ中央に位置する液晶分子１６ｂのダイレクタ１６ｄは、水平方向よりやや右上向きとなっている。また、平面的には、図２（ｂ）に示すように、液晶層１６を構成する液晶分子１６ａは、９０°にツイスト配向されている。また、同平面図において位相差層２０は、チルト構造（図４（ａ）参照）を成して配向された複数の高分子液晶２０ａから構成されており、複数の高分子液晶２０ａは、ほぼ平行に配向されている。また、図２（ａ）に示すように高分子液晶２０ａのダイレクタ２０ｄは、図示やや左上向きである。
【００３８】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の液晶表示装置の明視方向は、液晶層１６の層厚方向ほぼ中央に配置された液晶分子１６ｂのダイレクタ１６ｄの向きにより決定され、図２（ａ）の断面視においては、図示右方向とされ、図２（ｂ）の平面視においては、図示下方向とされている。そして、この明視方向に対して、位相差層２０のダイレクタ２０ｄは、図２（ｂ）に示すように、平面視略平行かつ逆向きになっている。すなわち、液晶分子１６ｂのダイレクタ１６ｄと、位相差層２０の高分子液晶のダイレクタ２０ｄとが、平面視略平行、かつ逆向きに配置されている。
【００３９】
また、図２（ｂ）に符号２８ａ、３６ａで示す矢印は、それぞれ下偏光板２８及び上偏光板３６の透過軸の向きを示しており、両透過軸２８ａ、３６ａは互いに直交する向きに配置されている。液晶層１６を構成する液晶分子１６ａのうち、下偏光板２８ａに隣接して配置された液晶分子のダイレクタは下偏光板２８の透過軸２８ａと略平行とされ、上偏光板３６に隣接する液晶分子のダイレクタは上偏光板３６の透過軸３６ａと略平行とされている。従って、本実施形態において、位相差層２０ａの高分子液晶のダイレクタ２０ｄと、上下偏光板の透過軸２８ａ、３６ａは、それぞれほぼ４５°の角度を成して配置されている。
【００４０】
本実施形態の液晶表示装置では、液晶層１６を構成する液晶分子１６ａ、１６ｂと、位相差層２０を構成する高分子液晶２０ａとが、上記方位関係を有していることで、広い視角範囲で明るい表示が得られるようになっている。本発明者は、係る構成により高輝度表示が可能な視角範囲が実質的に広がることを実際の液晶表示装置の視角特性を評価することにより検証しており、その詳細は後述の（実施例）に記載している。
【００４１】
本実施形態の場合、上記位相差層２０の高分子液晶のダイレクタ２０ｄと、明視方向とが、平面視略平行とされ、かつ逆向きとされている。本発明に係る液晶表示装置においては、前記両者が平行に配置されるのが最も好ましいが、前記ダイレクタ２０ｄと、液晶表示装置の明視方向とは、平面視において実質的に逆向きに配置されていれば、平面的に交差する向きであってもよい。具体的には、ダイレクタ２０ｄと、明視方向との交差角度が３°以下であれば、実用上は問題とならない（明視方向を対称軸としてほぼ対称の視角範囲で高輝度の表示が得られる）。また、上記交差角度は１°以下とすることがより好ましい。尚、上記ダイレクタ２０ｄと、明視方向とが平面視において互いに交差する向きとされた場合には、ダイレクタ２０ｄと、偏光板２８、３６の透過軸との方位関係もそれに準じた交差角度となる。
【００４２】
また、図４（ａ）は、チルト構造を成して配向された液晶分子を示す模式図であり、図４（ｂ）は、スプレイ構造を成して配向された液晶分子を示す模式図である。これらの図に示す矢印が位相差層２０の厚さ方向に対応しており、Ａ方向が液晶層１６側、Ｂ方向が下基板１３側である。
先に記載のように、本実施形態では、位相差層２０の高分子液晶２０ａは、図４（ａ）に示すようなチルト構造に配向されている。本実施形態の場合、図４（ａ）に示すチルト角θは、２°以上３５°以下とされる。チルト角が２°未満では、位相差層２０の視角特性の非対称性が小さくなるために、上記視角改善効果がほとんど得られなくなる。また、チルト角が３５°を越えると、位相差層の厚さ方向における相対的な光学異方性が大きくなりすぎるために、コントラストが最大となる視角方向が表示装置正面から外れ、観察者に視認される実質的なコントラストが低下するため好ましくない。また、チルト角が３５°を越える場合には、光進行方向のズレのために、最適な表示が得られる液晶層１６の駆動電圧が大きくなる傾向になり、消費電力の点で不利になる。
【００４３】
さらに、本実施の形態では、位相差層２０を構成する高分子液晶２０ａが、チルト構造を成して配向されている場合について説明したが、高分子液晶２０ａが、図４（ｂ）に示すスプレイ構造を成して配向された構成も適用することができる。その場合にも、各高分子液晶のダイレクタと、液晶表示装置の明視方向とが、平面視において略平行かつ略逆向きとなるように位相差層２０を構成することで、上記と同様に広い視角で高コントラストの表示が可能な液晶表示装置とすることができる。
また、図４（ｂ）に示すスプレイ構造において、角度α、βは、それぞれ位相差層２０内における高分子液晶２０ａの仰角の最大値α、及び最小値βを示すものであり、本発明に係る液晶表示装置では、下基板１３側で仰角が最小（β）となり、位相差層２０の厚さ方向に沿って連続的に仰角が大きくなり、液晶層１６側で仰角が最大（α）となる。これらの仰角の最大値α及び最小値βは、それぞれ４０°、２°程度とすることが好ましい。その理由は、充分な視角改善効果が得られる平均チルト角１０°から２５°の範囲であり、また最大値αと最小値βの差を大きくすることでより視角改善の効果が得られるためである。
【００４４】
次に、本実施の形態の液晶表示装置１０の表示原理を図３を用いて説明する。
まず、暗表示を行う場合には、液晶層１６に電圧を印加した状態（選択電圧印加状態）とし、液晶層１６でのリタデーションがほぼ０（位相のずれがない）となるようにしておく。反射表示においては、上偏光板３６の上方から入射した光は、上偏光板３６の透過軸を紙面に垂直とすると、上偏光板３６を透過した後、紙面に垂直な直線偏光となり、そのままの状態で液晶層１６を透過する。そして、紙面に垂直な直線偏光は、下基板１３上の位相差層２０により１／４波長のリタデーションが付加され、位相差層２０を透過した後、左回りの円偏光となる。次に、この円偏光が半透過反射層１８の表面で反射すると回転方向が反転して右回りの円偏光となり、位相差層２０を再度透過した後、紙面に平行な直線偏光となり、そのままの状態で液晶層１６を透過する。ここで、上偏光板３６は紙面に垂直な透過軸を有しているので、紙面に平行な直線偏光は上偏光板３６に吸収されて外部（観察者側）へは戻らず、暗表示となる。
【００４５】
一方、透過表示においては、バックライト１２から出射された光は、下偏光板２８の透過軸を紙面に平行とした場合、下偏光板２８を透過した後、紙面に平行な直線偏光となり、そのままの状態で液晶層１６を透過する。この光は、反射モードと同様、上偏光板３６に吸収されるので、暗表示となる。
【００４６】
次に、明表示を行う場合には、液晶層１６に電圧を印加しない状態（非選択電圧印加状態）とし、反射表示領域Ｒにおけるリタデーションが１／４波長、透過表示領域Ｔにおけるリタデーションが１／２波長となるようにする。反射表示においては、上偏光板１１４を透過した紙面に垂直な直線偏光は、液晶層１６により１／４波長のリタデーションが付与されて液晶層１６を透過して位相差層２０の表面に到達した段階で左回りの円偏光となる。そして、位相差層２０を透過した後、紙面に平行な直線偏光となり、半透過反射層１８の表面でそのままの偏光状態で反射し、位相差層２０を再度透過すると、左回りの円偏光に戻る。次に、この光が液晶層１６を再度透過した段階で紙面に垂直な直線偏光に戻り、紙面に垂直な透過軸を有する上偏光板３６を透過して外部（観察者側）へ戻り、明表示となる。
【００４７】
一方、透過表示においては、バックライト１２から出射され、下偏光板２８を透過した紙面に平行な直線偏光は、液晶層１６の持つ旋光性によって、液晶層１６を透過した段階で紙面に垂直な直線偏光となり、紙面に垂直な透過軸を有する上偏光板３６を透過して外部へ戻り、明表示となる。
また透過表示において、下偏光板２８を透過した紙面に平行な直線偏光のうち、半透過反射層１８の裏面で反射した光は、そのまま下偏光板２８を透過してバックライト１２に戻り、バックライト１２下面の反射板４０で反射して再度液晶セル１１に向けて出射されるので、半透過反射層１８の裏面で反射した光を再利用して透過表示に寄与させることができる。
【００４８】
本実施の形態の液晶表示装置１０においては、下基板１３内面の反射表示領域Ｒにのみ１／４波長のリタデーションを持つ位相差層２０を設け、さらに、透過表示領域Ｔにおける液晶層１６の層厚を反射表示領域Ｒにおける液晶層１６の層厚の略２倍とし、電圧無印加時の液晶層１６のリタデーションを反射表示領域Ｒで１／４波長、透過表示領域Ｔで１／２波長としたことによって、透過表示については直線偏光のみで表示を行うことが可能となり、図１５に示す従来の装置で用いていた液晶セルの上下の位相差板をともに不要とすることができる。
【００４９】
この構成によれば、従来の構成において液晶層側から入射される円偏光の略半分が上偏光板で吸収されることで透過表示が暗くなる問題、半透過反射層の裏面で反射された照明光が下偏光板で吸収され、表示に再利用できない問題の双方を同時に解決することができるので、従来に比べて透過表示を明るくすることができる。また本実施の形態の場合、特に透過表示領域Ｔでのリタデーションを反射表示領域Ｒの２倍としたことにより、反射表示と透過表示とで上偏光板３６を透過する前の偏光状態を同一方向の直線偏光に揃えることができるため、光の利用効率を最も向上でき、透過表示が最も明るい構成とすることができる。また、コントラストの高い表示を得ることができる。特に本実施の形態の場合、透過表示が直線偏光を用いたＴＮモードの表示となるので、光の利用効率が高く、明るい表示が可能であるとともに、視野角も広くすることができる。また、透過表示領域のセル厚がばらついても、更にはかなり厚く反射表示領域のセル厚の２倍以上になっても、旋光性を利用しているため、コントラストの高い表示が可能である。
【００５０】
本実施の形態の構成によれば、高分子液晶で位相差層２０を形成しているが、その上に絶縁膜を形成しているので、この絶縁膜が保護膜２１として機能し、位相差層２０の変質等を防止することができる。また、反射表示領域Ｒにのみ位相差層２０を設けているため、その位相差層２０上に保護層２１を形成したことにより、反射表示領域Ｒにおける液晶層１６の層厚を透過表示領域Ｔにおける液晶層１６の層厚よりも小さくする構造を容易に実現することができる。さらに、外付けの位相差板が要らないので、従来に比べて構造が簡単になり、部品点数を削減できるとともに、装置の薄型化を図ることができる。
【００５１】
本発明者は、本実施の形態の液晶表示装置において反射表示領域の位相差（リタデーションＲ＝Δｎ・ｄ）と反射率との相関関係をシミュレーションにより求めた。シミュレーション結果を図１４に示す。図１４の横軸はΔｎ・ｄ［ｎｍ］、縦軸は反射率［−］である。本実施の形態の場合、透過表示がＴＮモードの表示となることから光の利用効率が高く、明るい表示となる一方、反射表示に対しては実用上必要な明るさとして少なくとも反射率２０％以上が要求される。このレベルの反射率を得るためには、反射表示領域の位相差（Δｎ・ｄ）を、１３０ｎｍ≦Δｎ・ｄ≦３４０ｎｍの範囲とする必要がある。この条件を満たすように反射表示領域のΔｎ・ｄを設定することによって、反射表示の視認性も確保することができる。
【００５２】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施の形態では、反射表示領域上の位相差層でのリタデーションを１／４波長とし、透過表示領域の液晶層の層厚を反射表示領域の２倍とすることで選択電圧印加時の液晶層のリタデーションが反射表示領域、透過表示領域ともにほぼ０、非選択電圧印加時の液晶層のリタデーションが反射表示領域で１／４波長、透過表示領域で１／２波長とした。この設定が透過表示を最も明るくし、コントラストが最も向上できる構成ではあるが、各部のリタデーションは必ずしも上記の設定通りでなくても良く、少なくとも反射表示領域にのみ位相差層２０によるリタデーションが付与され、そのリタデーションを緩和すべく透過表示領域でのリタデーションが反射表示領域でのリタデーションよりも大きければよい。この構成とすれば、少なくとも従来に比べて透過表示を明るくすることができる。
【００５３】
また、上記実施の形態ではポジ型液晶を用い、初期状態を水平配向として電圧印加時のリタデーションがほぼ０、電圧無印加時に反射表示領域のリタデーションが１／４波長、透過表示領域のリタデーションが１／２波長となる例で説明したが、これとは逆に、ネガ型液晶を用い、初期状態を垂直配向として電圧無印加時に位相のずれがほぼ０、電圧印加時に反射表示領域のリタデーションが１／４波長、透過表示領域のリタデーションが１／２波長となるように構成することもできる。さらに、本発明は、上記実施の形態のようにアクティブマトリクス方式の半透過反射型カラー液晶表示装置に限ることなく、パッシブマトリクス方式、白黒表示の液晶表示装置に適用することも可能である。
【００５４】
（電子機器）
図１６は、本発明に係る液晶表示装置を表示部に備えた電子機器の一例である携帯電話の斜視構成図であり、この携帯電話１３００は、本発明の液晶表示装置を小サイズの表示部１３０１として備え、複数の操作ボタン１３０２、受話口１３０３、及び送話口１３０４を備えて構成されている。
上記実施の形態の液晶表示装置は、上記携帯電話に限らず、電子ブック、パーソナルコンピュータ、ディジタルスチルカメラ、液晶テレビ、ビューファインダ型あるいはモニタ直視型のビデオテープレコーダ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電卓、ワードプロセッサ、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末、タッチパネルを備えた機器等々の画像表示手段として好適に用いることができ、いずれの電子機器の表示部においても、高コントラストの反射／透過表示が得られ、かつ広い視角で明るい表示が得られる。
【００５５】
【実施例】
以下、実施例により本発明の液晶表示装置をさらに詳細に説明する。本例では、上記実施の形態の構成の液晶表示装置において、液晶性化合物からなる位相差層の配向方向を異ならせたものを作製し、その視野角特性を評価した。その結果について以下、報告する。
【００５６】
（実施例１）
実施例１の液晶表示装置として、図１に示した上記実施の形態の構成の液晶表示装置を作製した。パネルの構成として、画素数を１６０×１２０、画素ピッチを２５５μｍ、透過表示領域となる開口部の面積を６８μｍ×２２μｍ（ただし、この開口部を１ドットに２個形成）、とした。
液晶層１６は右９０°ツイストのＴＮ液晶とし、６時明視（表示装置正面の観察者から見て手前側方向が明視方向）とした。反射表示領域の液晶層のリタデーション（Δｎ・ｄ）は０．２６、透過表示領域の液晶層のリタデーションは０．４８とした。位相差層２０は、上記実施の形態で説明した第１の形成方法（高分子液晶を用いる方法）に準じて形成し、その配向方向を１２時方向（表示装置正面の観察者から見て奥側方向）とした。位相差層を構成する高分子液晶はチルト構造とし、そのチルト角（図４（ａ）に示す角度θ）は位相差層内で一律に２０°とした。位相差層２０は正面方向のリタデーションが１／４波長となるようにした。
【００５７】
次いで、比較サンプル１として、上記実施例１の構成において、位相差層２０の高分子液晶の配向方向を６時方向（表示装置正面の観察者から見て手前側方向）とした以外は同様の構成を備えた液晶表示装置を作製した。
次に、比較サンプル２として、上記実施例１の構成において、位相差層２０の高分子液晶の配向方向を３時方向（表示装置正面の観察者から見て手前側方向）とした以外は同様の構成を備えた液晶表示装置を作製した。
次に、比較サンプル３として、上記実施例１の構成において、位相差層２０の高分子液晶の配向方向を９時方向（表示装置正面の観察者から見て手前側方向）とした以外は同様の構成を備えた液晶表示装置を作製した。
【００５８】
次に、上記実施例１、及び比較サンプル１の液晶表示装置について、反射表示のコントラストの視角特性を評価した。その結果を図５及び図６に示す。また、実施例１の液晶表示装置について透過表示のコントラストの視角特性の測定結果を図７に示す。また、比較サンプル２，３の液晶表示装置について反射表示におけるコントラストの視角特性の測定結果を図８及び図９に示す。
【００５９】
図５ないし図９において、中心が表示装置の正面に対応しており、中心から離れるに従って視角が大きくなっている。また、符号Ａで示された領域（図中左上がりの鎖線で示す領域）は、測定範囲内におけるコントラストの最大値の７５％以上のコントラストが得られた視角範囲を示し、符号Ｂで示された領域（図中右上がりの鎖線で示す領域）は、同、５０％以上のコントラストが得られた視角範囲を示し、符号Ｃで示された領域（図中模様無しの領域）は、同、５０％未満のコントラストが得られた視角範囲を示している。また、図６中、符号Ｄで示された領域（図中水平線で示す領域）は、コントラストが１未満となった領域であり、すなわち表示が反転して視認された視角範囲である。
【００６０】
図５に示すように、本発明の構成要件を満たす実施例１の液晶表示装置では、より広い視角範囲が得られ、また液晶表示装置の正面を中心として左右対称に高コントラストの領域（領域Ａ）が分布している。これに対して、図６に示す比較サンプル１の液晶表示装置では、最大コントラストの５０％以上が得られる視角範囲が図５に比して狭く、また、高コントラスト領域（領域Ａ）も、左右対称になっていない。また、図６中左右端に、表示が反転した領域Ｄが現れており、この点においても図５に示す実施例１の液晶表示装置の方が視角が広いことが分かる。
【００６１】
また、図８及び図９に示す、位相差層の配向方向が３時方向、及び９時方向とされた液晶表示装置では、高コントラスト領域（領域Ａ）が、高視角側に現れており、通常観察者から視認される液晶表示装置正面方向ではコントラストがやや低くなる。そのため、実質的にコントラストの低下が生じている。また、図８及び図９のいずれにおいても、表示が反転した領域Ｄが現れており、視角がやや狭くなっている。
【００６２】
本実施形態の液晶表示装置では、図７に示す透過表示でも、高コントラストの領域が左右対称に分布しているので、透過表示、反射表示のいずれにおいても、左右対称な表示特性を有しており、実質的に視認性の高い表示を実現している。
このように、本発明の要件を満たす実施例１の液晶表示装置によれば、視角が広く、かつ左右対称にコントラストが分布した視認性に優れる反射表示及び透過表示が得られる。
【００６３】
（実施例２）
次に、実施例２として、上記実施例１と位相差層の構成のみを異ならせた液晶表示装置を作製した。つまり、パネルの構成として、画素数を１６０×１２０、画素ピッチを２５５μｍ、透過表示領域となる開口部の面積を６８μｍ×２２μｍ（ただし、この開口部を１ドットに２個形成）、とした。
液晶層１６は右９０°ツイストのＴＮ液晶とし、６時明視（表示装置正面の観察者から見て手前側方向が明視方向）とした。反射表示領域の液晶層のリタデーション（Δｎ・ｄ）は０．２６、透過表示領域の液晶層のリタデーションは０．４８とした。位相差層２０は、上記実施の形態で説明した第１の形成方法（高分子液晶を用いる方法）に準じて形成し、その配向方向を１２時方向（表示装置正面の観察者から見て奥側方向）とした。位相差層を構成する高分子液晶はスプレイ構造とし、その仰角（図４（ｂ）に示す角度α、β）は位相差層内で連続的に変化するようにし、仰角の最小値βを３°、最大値αを５０°とした。位相差層２０は正面方向のリタデーションが１／４波長となるようにした。
【００６４】
次いで、比較サンプル４として、上記実施例２の構成において、位相差層２０の高分子液晶の配向方向を６時方向（表示装置正面の観察者から見て手前側方向）とした以外は同様の構成を備えた液晶表示装置を作製した。
次に、比較サンプル５として、上記実施例２の構成において、位相差層２０の高分子液晶の配向方向を３時方向（表示装置正面の観察者から見て手前側方向）とした以外は同様の構成を備えた液晶表示装置を作製した。
次に、比較サンプル６として、上記実施例１の構成において、位相差層２０の高分子液晶の配向方向を９時方向（表示装置正面の観察者から見て手前側方向）とした以外は同様の構成を備えた液晶表示装置を作製した。
【００６５】
次に、上記実施例２、及び比較サンプル４〜６の液晶表示装置について、反射表示のコントラストの視角特性を評価した。その結果を図１０ないし及び図１３に示す。これらの図に示すＡ〜Ｄの領域の定義については上記実施例１と同様である。
【００６６】
図１０に示すように、本発明の構成要件を満たす実施例２の液晶表示装置では、より広い視角範囲が得られ、また液晶表示装置の正面を中心として左右対称に高コントラストの領域（領域Ａ）が分布している。これに対して、図１１に示す比較サンプル４の液晶表示装置では、最大コントラストの５０％以上が得られる視角範囲が図１０に比して狭く、また、高コントラスト領域（領域Ａ）も、左右対称になっていない。また、図１１中左右端に、表示が反転した領域Ｄが現れており、この点においても図１０に示す実施例２の液晶表示装置の方が視角が広いことが分かる。
また、実施例２の液晶表示装置では、透過表示領域の構成は上記実施例１と同様としているため、透過表示の視角特性としては図７に示すものと極めて近いものが得られると考えられる。従って、本例の液晶表示装置においても、透過表示、反射表示のいずれにおいても左右対称のコントラストの分布が得られ、視認性に優れる表示が得られる。
【００６７】
また、位相差層の高分子液晶の配向方向が、３時方向及び９時方向とされた比較サンプル５，６は、図１２及び図１３に示すように、いずれも高コントラスト領域Ａが図中心から外れており、実質的なコントラストの低下が生じていることが分かる。また、いずれのサンプルにおいても、表示が反転した領域Ｄが現れており、この点においても視角が狭くなっている。
このように、本発明の要件を満たす実施例２の液晶表示装置によれば、位相差層を構成する高分子液晶がスプレイ構造を成して配向されていても、視角が広く、かつ左右対称にコントラストが分布した視認性に優れる反射表示及び透過表示が得られることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態の液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示す液晶層と位相差層を構成する液晶分子の配向状態の説明図であり、図２（ａ）は模式断面構造、図２（ｂ）は模式平面構造を示している。
【図３】図３は、同、液晶表示装置の表示原理を説明するための図であって、表示原理の説明に必要な構成要素のみを示す図である。
【図４】図４は、図１に示す位相差層の高分子液晶の配向構造を示す図であり、図４（ａ）はチルト構造、図４（ｂ）はスプレイ構造を示している。
【図５】図５は、実施例における視角特性の評価結果を示す図である。
【図６】図６は、実施例における視角特性の評価結果を示す図である。
【図７】図７は、実施例における視角特性の評価結果を示す図である。
【図８】図８は、実施例における視角特性の評価結果を示す図である。
【図９】図９は、実施例における視角特性の評価結果を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例における視角特性の評価結果を示す図である。
【図１１】図１１は、実施例における視角特性の評価結果を示す図である。
【図１２】図１２は、実施例における視角特性の評価結果を示す図である。
【図１３】図１３は、実施例における視角特性の評価結果を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の液晶表示装置における反射表示領域のΔｎ・ｄと反射率との相関関係を示すシミュレーション結果である。
【図１５】図１５は、従来の半透過反射型液晶表示装置の部分断面図である。
【図１６】図１６は、本発明に係る電子機器の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０液晶表示装置、１１液晶セル、１２バックライト、１３下基板、１４上基板、１６液晶層、１６ａ液晶分子、１８半透過反射層、１８ａ開口部、２０位相差層、２０ａ高分子液晶（液晶性化合物）、２０ｄダイレクタ、２１保護層、２８下偏光板、３６上偏光板、Ｒ反射表示領域、Ｔ透過表示領域

Claims

互いに対向して配置された上基板と下基板の間に、ＴＮモードの液晶層が挟持された液晶表示装置において、
前記液晶層の上基板側に上偏光板が設けられ、前記下基板の内面側に、基板側から順に反射層と、有限のチルト角を有して配向された液晶性化合物を主体とする位相差層とが設けられており、
前記位相差層を構成する液晶性化合物のダイレクタが、平面視において当該液晶表示装置の明視方向と略平行かつ略逆向きに配向されていることを特徴とする液晶表示装置。
互いに対向して配置された上基板と下基板の間に、ＴＮモードの液晶層が挟持され、１ドット領域内に透過表示領域と反射表示領域とを有する半透過反射型液晶表示装置において、
前記液晶層の上基板側に上偏光板が設けられ、前記下基板の内面側の前記反射表示領域に基板側から順に反射層と、有限のチルト角を有して配向された液晶性化合物を主体とする位相差層とが設けられており、
前記位相差層を構成する液晶性化合物のダイレクタが、平面視において当該液晶表示装置の明視方向と略平行かつ略逆向きに配向されており、
選択電圧印加時、非選択電圧印加時のいずれか一方において、前記透過表示領域における前記液晶層の位相差が前記反射表示領域における前記液晶層の位相差よりも大きいことを特徴とする液晶表示装置。
前記位相差層を構成する液晶性化合物が、チルト構造を成して配向されており、前記液晶性化合物の平均チルト角が、２°以上３５°以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示装置。
前記位相差層を構成する液晶性化合物の平均チルト角が、１０°以上２５°以下であることを特徴とする請求項３に記載の液晶表示装置。
前記位相差層を構成する液晶性化合物が、スプレイ構造を成して配向されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
前記透過表示領域における液晶層厚が、前記反射表示領域における液晶層厚よりも大きいことを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
前記透過表示領域における液晶層厚が、前記反射表示領域における液晶層厚の略２倍であることを特徴とする請求項６に記載の液晶表示装置。
前記反射表示領域における液晶層のΔｎｄが、０．１３以上０．３４以下であることを特徴とする請求項２ないし７のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
前記位相差層が、透過光に対して略１／４波長の複屈折位相差を付与するものとされていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の液晶表示装置を備えたことを特徴とする電子機器。