JPH055882A

JPH055882A - 表示装置

Info

Publication number: JPH055882A
Application number: JP3104405A
Authority: JP
Inventors: Koichi Fujisawa; 幸一藤沢; Yukikazu Kamimura; 幸和上村; Masayoshi Minamii; 正好南井; Katsumi Yoshino; 勝美吉野
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 1991-05-09
Filing date: 1991-05-09
Publication date: 1993-01-14

Abstract

(57)【要約】【目的】高速応答性と高コントラスト比を容易に実現で
き、且つ視野角の大きい等の利点を有する表示装置を提
供する。【構成】基板１上に、電極２、透明樹脂よりなる光導波
路３、液晶層４、液晶配向膜５および透明電極６、透明
基板７層からなり、プリズムカップラー８より光を導入
する機構を有し、且つ上記光導波路の屈折率と液晶の実
効屈折率がｎ_e:max＞ｎ_p＞ｎ_e:min （ここでｎ_pは光導波路の屈折率、ｎ_e:maxは電界の切
り換え前後での液晶の実効屈折率のうち大きい方の値、
ｎ_e:minは電界の切り換え前後での液晶の実効屈折率の
うち小さい方の値を示す。）の関係を満たすことを特徴
とする表示装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は新規な表示装置に関し、
詳しくは液晶を用いた新規な平面型表示パネルに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】現在、表示装置としては陰極線管（ＣＲ
Ｔ）が主流を占めているが、大きく重いという欠点があ
るため平面型表示パネル（以下単に平面パネルと略すこ
とがある。）への移行が進行している。平面パネルとし
ては液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、エレク
トロクロミックディスプレイ等があげられるが、液晶デ
ィスプレイが主流と成りつつある。液晶ディスプレイと
してはツイステッドネマティック型やスーパーツイステ
ッドネマティック型等のネマティック液晶を用いるタイ
プや、強誘電性液晶または反強誘電性液晶を用いるタイ
プ等が実用に供されたり、開発検討されたりしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ネマティック
液晶を用いるタイプ、例えばツイステッドネマティック
型表示装置においては、応答速度に限界があり、大面積
化したり、高精細化したりすることが困難であるという
問題や、良好なコントラスト比や広い視野角特性を得難
いという本質的な問題を有している。一方、最近薄膜ト
ランジスターを用いてネマティック液晶を駆動する方法
が鋭意研究されているが、薄膜トランジスターの製造に
関して問題があり、例えば８〜10インチ程度のパネルを
安価に供給するという点に関してもいまだ充分な成果を
得ていない。

【０００４】一方、強誘電性液晶を利用した表示方法、
例えば表面安定化強誘電性液晶表示装置（以下ＳＳＦＬ
ＣＤ）は、その速い応答速度の他に、メモリー性や良好
な視野角特性の可能性を有しているが故に非常に注目を
集めている。しかし、この方法においても、原理的には
高速応答性や高コントラスト比が期待できるが、強誘電
性液晶の偏光面の回転をスイッチングに利用しているた
め、高いコントラスト比を実現するためには、ゲスト−
ホスト法と呼ばれている方法では電場を印加した際に液
晶分子が基板平面に対して90゜回転すること、複屈折法
でも45゜回転する必要があり、このことが応答速度をよ
り一層速くするための障害となっていると思われる。し
たがって、現実には例えば10μｓ以下の応答速度を達成
すると共に高いコントラスト比をも得ることは非常に困
難であると言わざるをえない。

【０００５】本発明の目的は、液晶を用いた高速応答性
と高コントラスト比を容易に実現するための表示装置を
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、基板
上に、電極、透明樹脂よりなる光導波路、液晶層、液晶
配向膜および透明電極の順序、または透明樹脂よりなる
光導波路、透明電極、液晶層、液晶配向膜および透明電
極の順序で各層を有し、該光導波路の端部に光を導入す
るための光導入部を備え、且つ上記光導波路の屈折率と
液晶の実効屈折率がｎ_e:max＞ｎ_p＞ｎ_e:min （ここでｎ_pは光導波路の屈折率、ｎ_e:maxは電界の切
り換え前後での液晶の実効屈折率のうち大きい方の値、
ｎ_e:minは電界の切り換え前後での液晶の実効屈折率の
うち小さい方の値を示す。）の関係を満たすことを特徴
とする表示装置を提供することにある。

【０００７】本発明においては、前記したように、従来
の液晶による偏光面の回転ではなく、電界の変化による
液晶の実効屈折率の変化を利用しているため、液晶分子
が９０゜または４５゜回転することは必ずしも必要では
ないと考えられる。すなわち、本発明の装置において光
学的な応答は液晶分子の運動の全過程の時間を必要とし
ない。ここで応答時間とは液晶の実効屈折率が光導波路
の屈折率よりも大きくまたは小さくなるまでの時間であ
る。この点が従来の液晶を用いた表示装置と本質的に異
なる点である。

【０００８】以下本発明について詳しく述べる。本発明
の表示装置は、光導波路上に構成した液晶分子に印加す
る電界の切り換え (電界を大きくしたり小さくしたり、
電界を加えたり取り去ったり、または電界を反転させた
りすること等を意味する。以下、単にスイッチングと呼
称する場合がある。）に伴い、光導波路内を進行する光
より一部の光を平面パネルの前方（表示面側）に取り出
すことにより明暗を描き出す平面型表示パネルである。
詳しくは上記の屈折率の関係を満たす光導波路と液晶の
組み合わせを用い、この導波路中に光を進行せしめ、上
記した液晶分子に電界のスイッチングにより、パネル前
面に取り出す光の量を制御することにより表示を行う新
規な表示装置である。なお、ここでいう平面パネルは緩
やかな曲率を持つ曲面パネルを含む。

【０００９】本発明について図面により説明する。図１
は本発明装置の一例の要部の断面の模式図を示す。基板
１の上に透明電極２、光導波路３、液晶層４、配向膜
５、透明電極６、透明基板７の順で層構造を有してい
る。透明基板７は必ずしも必要ないが、強度、製造を考
慮すると設けるのが好ましい。また光導波路３の端部に
光を光導波路３内に導入するためのプリズムカップラー
８が設けられている。このプリズムカップラー８は必ず
しも必要なく、光導波路３内に光を導入できれば他の手
段を用いてもよい。液晶層４の液晶は上部に構成された
配向膜によって、液晶の長軸方向が光軸の方向に向くよ
うに配向されている。左側のプリズムカプラー８から入
射した光は、例えば透明樹脂の膜よりなる光導波路３内
を全反射しながら伝搬し、液晶のスイッチングによりそ
のまま光導波路３内を進行するか、または光導波路３か
ら抜け出してパネル前方、すなわち表示面側へと進行す
る。光導波路３内を進行した場合はパネル前方への光の
漏れはほとんどなく視野は暗状態となる。一方、液晶分
子のスイッチングによりパネル前方に光が進行した場合
はパネル前方の視野は明状態となる。

【００１０】次に本発明における明状態と暗状態とのス
イッチングの原理を液晶として強誘電性液晶を用いた場
合について述べる。図２および図３に光スイッチング動
作の模式図を示す。強誘電性液晶と複合させた光導波路
内を伝搬するＴＥ波を考えると、図２に示すように電界
の印加により液晶分子が光の進行方向を向いているとき
は、光の感じる液晶の実効屈折率ｎ_e（ｎ_e:min) が光
導波路の屈折率ｎ_pより小さくなるため、光は光導波路
内を伝搬する。このとき液晶による光の散乱がないため
光は光導波路内を減衰することなく伝搬する。このとき
パネル全面は暗状態となる。一方、図３に示すように電
界を反転させ液晶分子を層法線に対して対称の方向に配
向させた場合、ｎ_e（ｎ_e:max) ＞ｎ_pとなり、光は液
晶層へと入射し、液晶層を通過しパネル前面へと伝搬す
る。このときパネル全面は明状態となる。すなわち、電
界の変化により表示面側への光を制御できる。

【００１１】以下に本発明についてより詳細に説明す
る。光導波路を構成する材料に関して述べると、本発明
で用いる光導波路として必要な構成要件は（１）光導波
路としての充分な特性、（２）液晶分子のスイッチング
にともなって変化する液晶の実効屈折率の中間の屈折率
を有することであり、さらに（３）液晶分子の配向剤と
して機能するものが好ましい。このような特性を有する
材料であれば特に限定されるものではないが、例えば有
機高分子物質であるポリビニルアルコール、ポリメチル
メタアクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレンな
どの膜を用いることができるが、後述する液晶の実効屈
折率ｎ_e:maxとｎ_e:minの間に屈折率ｎ_pが入るよう
に液晶と適宜組み合わせることが重要である。また、こ
の樹脂の下の電極２側に屈折率が上記の樹脂より小さい
ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−テトラフル
オロエチレン共重合体、トリフルオロエチレン−ビニリ
デンフルオライド共重合体、ポリメタクリル酸トリフル
オロエチル等のフッ素系樹脂、エチレン−酢酸ビニル共
重合体等の薄膜層を設けるとより光を光導波路の樹脂と
の界面で効率よく全反射させることができるので好まし
い。

【００１２】光導波路の層の厚みは特に限定されない
が、通常１μｍ〜１ｍｍ、好ましくは１〜５０μｍ程度
である。また、薄膜層を設ける場合、その厚みは０．１
〜１０μｍ程度が好ましい。

【００１３】本発明で用いる光導波路の形状は特に限定
されるものではないが、例えばパネル全面に対応する一
枚の平面状の膜として、またはいくつかの部分に分割さ
れた構成、例えば走査線に対応する部分毎に分割された
形状で用いることができる。

【００１４】本発明では光導波路に光を導入するため光
導波路の端部に光導入手段を設ける。本発明においては
一例として光導波路端面から光を直接入射（導入）させ
る手段を用いることもできるが、通常、光導波路の厚み
は薄いので端面にレンズで集光して導入するのが効率的
である。また、他の例として従来用いられているプリズ
ムカップラーやグレーティングを光導波路の端部に設け
て光を光導波路内に導入することも好ましい態様であ
る。これらの手段を採用することにより、例えば従来用
いられているレーザ光源や冷陰極管などを光源として光
導波路内に光を導入することが可能となる。

【００１５】次に光導波路の上に設けられる液晶層につ
いて述べる。本発明において用いられる液晶としては、
液晶分子のスイッチングにより生じる液晶の実効屈折率
の変化が重要である。すなわち本発明を構成する主要な
概念は、スイッチングすることにより液晶の実効屈折率
が光導波路を構成する材料の屈折率よりも大きくまたは
小さくなることに伴い光導波路を進行する光を表示面側
へ取り出したり、またはそのまま光導波路内を進行させ
ることにある。したがって本発明において用いる液晶
は、液晶分子のスイッチングによりその実効屈折率が、
光導波路を構成する材料の屈折率よりも、大きくまたは
小さくなることが必須の条件である。すなわち上記した
光導波路の屈折率と液晶の実効屈折率がｎ_e:max＞ｎ_p＞ｎ_e:min （ここでｎp 、ｎ_e:max、ｎ_e:minは前記と同様なものを
意味する。)の関係を満たすような液晶と光導波路との
組み合わせを用いることが必須の条件である。すなわち
用いた光導波路の屈折率に応じて上記した関係を満たす
液晶を用いる必要があるので、光導波路の屈折率を考慮
して適切な組合せを選ぶことが重要である。

【００１６】例えば、液晶としては二環性または三環性
の芳香族エステル系、フェニルピリミジン系の強誘電性
液晶等が使用できる。また、液晶の層の厚みは従来の液
晶表示装置に使用の液晶の厚みと同程度であり、通常
０．５〜２０μｍ、好ましくは１〜５μｍ程度である。

【００１７】本発明に係る表示装置における明状態また
は暗状態の間のスイッチングの応答速度は従来の液晶パ
ネルにおけるような液晶分子そのものの応答速度ではな
く、実効屈折率の変化に対応する応答速度である。した
がって本発明に係る表示装置の応答速度は極めて速い応
答速度を示し得るという有利な点を有している。

【００１８】本発明に係る表示装置においては上記のよ
うに液晶を用いるため、液晶を広い範囲にわたって一様
に配向させることが重要である。本発明においては液晶
層の上側の透明電極の液晶層側に液晶配向膜を設けるこ
とが好ましい。該配向膜を形成するための液晶配向剤と
しては従来の液晶表示装置に用いられている液晶配向剤
を用いることができる。好ましくは用いる液晶の実効屈
折率でｎ_e:maxと同じ程度かそれよりも大きい屈折率を
有するものを用いる。また、光導波路に配向したポリビ
ニルアルコール膜等の配向有機高分子膜を用いる場合、
この光導波路が光導波路としての機能と共に配向剤とし
ての機能をも有するので好ましい態様の一つである。

【００１９】本発明において液晶に電界を印加するため
の一対の電極を必要とする。光導波路の基板側に設けら
れる電極の場合は必ずしも透明である必要はなく、通常
は基板上に設けられ、その上に光導波路が設けられる。
また、別の態様として光導波路の液晶側に透明電極を設
けることもできる。また、液晶層の上側に設けられるも
う一方の電極は表示側に光を通過させる必要があり、透
明電極とする。通常は従来の液晶表示装置に使用される
ものと同様にガラス、透光性樹脂等の透光性基板（パネ
ル）上に透明電極を作成し、次いでその上に配向膜を形
成させたものを使用し、該配向膜と光導波路との間に液
晶層を挟持させるのが好ましい。透明電極としてはＩＴ
Ｏ、ＮＥＳＡガラス等、透明性を必要としない場合はＡ
ｕ、Ｐｔ等の膜でよい。また、電極は従来の液晶表示装
置と同様マトリックス状に配置して、多数の画素に分割
することができる。電極の厚みは従来の液晶表示装置に
おけると同程度である。

【００２０】本発明において、液晶層を通過し前面に進
行した光はパネル平面に対して斜めに出射する。もちろ
んこの状態でも表示装置としての機能は充分果たすこと
が可能ではあるが、公知の液晶表示装置と同様、必要に
応じて図４で示すように画素毎に仕切状の構造９を作製
し、隣接する画素に光の漏れがないような構造にするこ
ともできる。

【００２１】さらに必要に応じてこの斜めに出射する光
をパネル表面に対して垂直に出射させるようにすること
も、視野角を広くすることも可能である。例えば光を散
乱するための構造を画素ごとに設置する方法、例えば図
４で示すように微小なレンズ１０のような構造を画素ご
とにパネル全面に設置し光の進行方向を変えるための方
策、または例えば図５で示すようにパネル前面に蛍光物
質のようなものを塗布した蛍光層１１を設け、出射した
光を一次光としてこの光で励起された分子が基底状態に
戻る際に発光する二次光を用いる方法、また場合によっ
ては図６で示すように光を散乱透過させる散乱膜１２を
透明電極、または上の基板上に設ける方法等が採用でき
る。

【００２２】

【実施例】以下実施例により本発明を具体的に説明する
が、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

【００２３】実施例１図７および図８でそれぞれ模式的平面図および側面図で
示される構造のテスト用のセルを作製した。本セルはそ
れぞれ透明電極２および６を有するパイレックス製の上
下二枚のガラス基板１および７より構成されている。下
側基板の透明電極上には光導波路３としてポリビニルア
ルコールを用いた。この屈折率は１．５程度である。上
基板７の透明電極６上には液晶配向膜５としてポリフッ
化ビニリデンの薄膜にラビング処理を施したものを使用
した。液晶層４として下記構造式で表される芳香族エス
テル系強誘電性液晶を使用した。

【００２４】

【化１】

【００２５】この液晶のｎ_e:maxは約１．６、ｎ_e:min
は約１．４である。上下二枚の基板の間にスペーサー１
１として厚さ４μｍのポリイミドフィルムを用いた。液
晶は上基板のポリフッ化ビリニデン膜により液晶の層法
線が光軸に対して３０゜の角度を持つように均一配向さ
れている。セルの左端部には光導波路３に光を入射する
ためにプリズムカップラー８が構成されている。このプ
リズムカップラーを用いてヘリウム−ネオンレザーより
光導波路に６３２．８ｎｍの単色光を入射した。入射し
た光は導波路３中を全反射しながら進行した。

【００２６】本実施例では透明電極間に方形波を印加し
た際の出射光の応答を光電子倍増管で検出した。図９に
±30Ｖ、10ｋＨｚの電界を印加したときの応答波形を示
す。方形波に近いきれいな波形が得られている。１０％
−９０％に対応する応答時間は、暗状態から明状態に変
化する場合４．５μｓ、明状態から暗状態に変化する場
合には２．８μｓと非常に高速である。またコントラス
ト比も約５０と非常に良好な結果を示した。

【００２７】実施例２実施例１に記載したのと同じ構造のテスト用セルを用
い、印加電圧を変化させ応答時間を測定した。図１０に
測定結果を示す。

【００２８】

【発明の効果】本発明の表示装置は、高速応答性と高コ
ントラスト比を容易に実現でき、且つ視野角の大きい等
の利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表示装置の一例の断面の模式図であ
る。

【図２】本発明の動作原理を説明するための模式図であ
る。

【図３】本発明の動作原理を説明するための模式図であ
る。

【図４】本発明の表示装置の一例の断面の模式図であ
る。

【図５】本発明の表示装置の一例の断面の模式図であ
る。

【図６】本発明の表示装置の一例の断面の模式図であ
る。

【図７】本発明の表示装置の一実施例の上から見た模式
図である。

【図８】本発明の表示装置の一実施例の断面の模式図で
ある。

【図９】実施例の装置の光学応答波形を示す。

【図１０】実施例の装置の応答時間と印加電圧の関係を
示す。

【符号の説明】

１・・・基板、２・・・透明電極、３・・・光導波路、
４・・・液晶層、５・・・液晶配向膜、６・・・透明電
極、７・・・透光性基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者南井正好大阪府高槻市塚原２丁目10番１号住友化学工業株式会社内 (72)発明者吉野勝美大阪府岸和田市尾生町166−３

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】基板上に、電極、透明樹脂よりなる光導波
路、液晶層、液晶配向膜および透明電極の順序、または
透明樹脂よりなる光導波路、透明電極、液晶層、液晶配
向膜および透明電極の順序で各層を有し、該光導波路の
端部に光を導入するための光導入部を備え、且つ上記光
導波路の屈折率と液晶の実効屈折率がｎ_e:max＞ｎ_p＞ｎ_e:min （ここでｎ_pは光導波路の屈折率、ｎ_e:maxは電界の切
り換え前後での液晶の実効屈折率のうち大きい方の値、
ｎ_e:minは電界の切り換え前後での液晶の実効屈折率の
うち小さい方の値を示す。）の関係を満たすことを特徴
とする表示装置。