JPH0933916A - 反射型カラー液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 カラーフィルタを用いず、明るくて、彩やか
なカラー画像を表示できるようにする。 【解決手段】 液晶分子がツイスト配向された液晶セル
１と、上偏光板１０と液晶セル１との間に配置された第
１、第２の位相差板１２、１３との両者の複屈折性を利
用してカラー画像を表示するので、カラーフィルタを用
いる必要がなく、明るいカラー表示ができ、また表示色
は、液晶セル１の複屈折性だけでなく、第１、第２の位
相差板１２、１３の複屈折性とによって得られるので、
温度変化によって液晶セル１のリタデーションが変化し
ても、その影響が少なくてすみ、温度変化による表示色
の変動を低減でき、さらに反射板１４の反射面１４ｂが
銀で形成されているので、拡散反射率が高く、波長依存
性も小さく、これにより全階調波形での電圧に対する背
景色の輝度が高く、急峻性も上がるため、明るくて、彩
やかなカラー画像を表示できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は反射型カラー液晶
表示素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶表示素子では、カラー化を図
る手段として、分光手段を利用したもの、あるいは光の
複屈折性を利用したものなどがある。分光手段を利用し
たカラー液晶表示素子としては、赤、緑、青の３色のカ
ラーフィルタを用いて、液晶セルを透過する光の波長を
選択するカラーフィルタ方式のものが広く知られてい
る。このカラーフィルタ方式では、一般的にバックライ
ト装置を備えた透過型のものが最も多く用いられてい
る。また、複屈折性を利用したカラー液晶表示素子とし
ては、液晶に電界を印加して液晶分子の配列を変形さ
せ、その際に生じる液晶の複屈折変化を利用してカラー
画像を表示する複屈折制御（ＥＣＢ）方式のものが広く
知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
カラーフィルタ方式のカラー液晶表示素子では、カラー
フィルタの製造に際して精密な加工技術が要求されるた
め、製造コストが高くなるという欠点があり、またカラ
ーフィルタの透過率が低いため、光の利用効率が悪く、
表示が暗くなるという欠点もある。特に、このカラー液
晶表示素子を反射型として用いた場合には、素子内にお
ける光の経路が２倍になるため、表示がより一層暗くな
るという問題がある。また、後者の複屈折制御方式のカ
ラー液晶表示素子では、表示の着色は可能であるが、分
光手段を用いていないため表示色の色純度が低く、温度
変化によって表示色が変動しやすく、鮮明なカラー画像
を安定して表示できない。特に、このカラー液晶表示素
子でも、反射型として用いた場合には、表示が暗くなる
という問題がある。この発明の課題は、カラーフィルタ
を用いず、明るくて、彩やかなカラー画像を表示できる
ようにすることである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するため、内面に電極が形成された一対の基板間に
液晶分子がツイスト配向されたネマティック液晶層を有
する液晶セルと、この液晶セルを挾んでその表面側と裏
面側とに配置された一対の偏光板と、これら一対の偏光
板間に配置された位相差板と、一対の偏光板のうちの一
方の偏光板の外面側に配置された反射板とを備え、一対
の偏光板の透過軸または吸収軸および位相差板の進相軸
または遅相軸の向きと、液晶セルの基板近傍における液
晶分子の配向方向とが、反射板と反対側に位置する他方
の偏光板を透過して入射した光が液晶セルの複屈折効果
と位相差板の複屈折効果とによって各波長光がそれぞれ
偏光状態の異なる楕円偏光となり、かつその光のうち、
反射板側に位置する一方の偏光板を透過した光が反射板
によって反射され、逆の光経路を経て他方の偏光板を透
過した光の各波長光の光量比が所望の着色光に対応した
比率になるように設定され、かつ反射板の反射面が銀で
形成されていることを特徴とするものである。

【０００５】この発明によれば、液晶分子がツイスト配
向された液晶セルと位相差板との両者の複屈折性を利用
してカラー画像を表示するので、カラーフィルタを用い
る必要がなく、明るいカラー表示ができ、また表示色
は、液晶セルの複屈折性だけでなく、位相差板の複屈折
性とによって得られるので、温度変化によって液晶セル
のリタデーションが変化しても、その影響が少なくてす
み、温度変化による表示色の変動を低減でき、さらに反
射板の反射面が銀で形成されているので、拡散反射率が
高く、波長依存性も小さくなり、これにより全ての波長
光の表示輝度が高くなり電圧に対する輝度変化の急峻性
も上がるため、明るくて、彩やかなカラー画像を表示で
きる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図４を参照して、こ
の発明の反射型カラー液晶表示素子の一実施形態につい
て説明する。図１は反射型カラー液晶表示素子の構成を
示す断面図である。この反射型カラー液晶表示素子では
液晶セル１を備えている。液晶セル１は、図１に示すよ
うに、ガラスまたはポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）
などの異方性のない高透明なフィルムからなる上下一対
の基板２、３を備え、これら一対の基板２、３が、これ
らの間の周縁部に介在されたシール材４により所定間隔
（数μｍ程度）隔てて対向配置され、これら一対の基板
２、３とシール材４とで囲われた領域内に液晶５が封入
された構造になっている。一対の基板２、３の対向面の
うち、上側の基板２の下面には、ＩＴＯなどの透明導電
材料からなる複数の走査電極６が配列形成されていると
ともに、これらの走査電極６を覆って上配向膜７が形成
されている。また、下側の基板３の上面には、走査電極
６と同じ材料からなる複数の信号電極８が走査電極６と
交差した状態で配列形成されているとともに、これら信
号電極８を覆って下配向膜９が形成されている。各配向
膜７、９は、その表面にラビング法などにより配向処理
が施され、この配向処理方向に近接する液晶分子の長軸
方向を沿わせることにより、液晶分子の配向方向を規制
している。液晶５は、カイラルなネマティック液晶など
からなり、配向膜７、９の配向規制力に従って液晶分子
が２３０°〜２７０°のツイスト角でねじれ配向されて
いる。そして、液晶セル１の光学異方性Δｎと液晶セル
１のギャップ（液晶層厚）ｄとの積Δｎｄは、１２００
ｎｍ〜１７００ｎｍが望ましく、その内でも１２５０ｎ
ｍ〜１５１０ｎｍの範囲内がより望ましく、この実施形
態では１３８０ｎｍに設定されている。

【０００７】一方、液晶セル１の上面側には上偏光板１
０が配置されており、下面側には下偏光板１１が配置さ
れている。上下の偏光板１０、１１は、入射光のうちの
吸収軸方向の偏光成分を遮断（吸収）し、これと直交す
る方向の偏光成分を透過するものである。上偏光板１０
と液晶セル１との間には、第１の位相差板１２が配置さ
れ、この第１の位相差板１２と液晶セル１との間には、
第２の位相差板１３が配置されている。第１、第２の位
相差板１２、１３は、ポリカーボネートなどの高分子フ
ィルムを延伸させた二軸性のものであり、平面上の延伸
軸方向（遅相軸方向）の屈折率ｎｘ、平面上の延伸軸に
直交する方向の屈折率ｎｙ、厚さ方向の屈折率ｎｚが、
ｎｘ＞ｎｚ＞ｎｙの関係を満足している。そして、第１
の位相差板１２のリタデーションは、１４５０ｎｍ〜１
７５０ｎｍが望ましく、その内でも１５９３ｎｍ〜１６
４１ｎｍの範囲内がより望ましく、この実施形態では１
６１７ｎｍに設定されている。第２の位相差板１３のリ
タデーションは、同様に、１４５０ｎｍ〜１７５０ｎｍ
が望ましく、その内でも１５３３ｎｍ〜１５７２ｎｍの
範囲内がより望ましく、この実施形態では１５５７ｎｍ
に設定されている。さらに、下偏光板１１の下面側に
は、反射板１４が設けられている。反射板１４は、上偏
光板１０から入射し、液晶セル１および下偏光板１１を
透過した光を液晶セル１側に反射するものであり、ポリ
エチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの樹脂基板１４
ａの下偏光板１１に対向する面に、銀（Ａｇ）を蒸着し
てなる反射面１４ｂを形成した構造になっている。この
反射板１４の反射面１４ｂは、図３に示すように、拡散
反射率が高く、かつ波長依存性の小さいものである。そ
して、上偏光板１０の上面に入力用の透明なタッチパネ
ルスイッチ１５が積層されている。

【０００８】図２（ａ）〜（ｅ）は液晶セル１の配向処
理方向に対する各構成要素の光学軸の位置関係を模式的
に示した各平面図である。液晶セル１の下配向膜９に施
された配向処理方向９ａは、図２（ｄ）に示すように、
表示面の左右方向に沿う基準線Ｓに対し３５°±２０°
傾斜しており、この配向処理方向９ａに沿って下配向膜
９近傍の液晶分子は配列する。上配向膜７に施された配
向処理方向７ａは、左上から右下に向けて延び、下配向
膜９の配向処理方向９ａに対し、７０°±２０°で交差
する方向に設定されており、この配向処理方向７ａに沿
って上配向膜７近傍の液晶分子は配列する。これによ
り、液晶分子は、下配向膜９から上配向膜７に向かって
時計回りに２５０°±２０°ツイストして配向される。
上偏光板１０の吸収軸１０ａは、図２（ａ）に示すよう
に、基準線Ｓに対して１７５°±１０°で交差するよう
に設定されている。第１の位相差板１２の延伸軸（遅相
軸）１２ａは、図２（ｂ）に示すように、基準線Ｓに対
して１０°±１０°で交差するように設定されている。
第２の位相差板１３の延伸軸（遅相軸）１３ａは、図２
（ｃ）に示すように、基準線Ｓに対して５０°±１０°
で交差するように設定されている。下偏光板１１の吸収
軸１１ａは、図２（ｅ）に示すように、基準線Ｓに対し
て８０°±１０°で交差するように設定されている。

【０００９】次に、このような反射型カラー液晶表示素
子の着色原理について説明する。図１の上方から入射す
る光は、上偏光板１０を透過することにより直線偏光と
なり、さらに第１、第２の位相差板１２、１３を透過す
る過程で、各位相差板１２、１３の延伸軸１２ａ、１３
ａの位置などによる光学的配置条件やリタデーションに
応じた偏光作用を受け、波長ごとに偏光状態が異なる楕
円偏光となる。これらの波長ごとの楕円偏光は、液晶セ
ル１を通る過程で、液晶セル１の光学的配置条件やリタ
デーションに応じた偏光作用を受け、さらにその偏光状
態が変化する。液晶セル１によって偏光状態がそれぞれ
異なった各波長ごとの楕円偏光が下偏光板１１に入射す
ると、下偏光板１１の透過軸１１ａに一致する偏光成分
の光が下偏光板１１を透過する。そして、下偏光板１１
を透過した光は、反射板１４の反射面１４ｂで反射さ
れ、上述した光経路と逆の経路で反射型カラー液晶表示
素子を通り、その上面から出射する。この出射光の分光
強度がピークを示す波長の表示色が得られる。

【００１０】ところで、第１、第２の位相差板１２、１
３のリタデーションは、各位相差板１２、１３の屈折率
異方性Δｎと厚さｄとの積Δｎｄによって決まり、また
液晶セル１のリタデーションは、液晶分子の配向状態に
よって決まる。従って、液晶セル１に印加する電圧値を
変えて液晶分子の配向状態を変化させると、これに伴っ
て液晶セル１のリタデーションが変わり、液晶セル１に
おける偏光作用が変化し、表示色の色相および輝度が変
化する。これにより、この反射型カラー液晶表示素子で
は、液晶５の複屈折性を制御してカラー画像を表示する
ことができる。

【００１１】具体的に説明すると、走査電極６と信号電
極８の間に電圧が印加していないときには、反射型カラ
ー液晶表示素子に入射した光は、第１、第２の位相差板
１２、１３の偏光作用と液晶分子の初期配向に応じた偏
光作用とを受け、これらに応じて波長ごとに偏光状態が
異なる楕円偏光となる。そして、下偏光板１１を透過
し、反射板１４の反射面１４ｂで反射され、逆の経路を
経て反射型カラー液晶表示素子の上面側から出射する際
の出射光の色は、第１、第２の位相差板１２、１３のリ
タデーションと初期配向状態の液晶５のリタデーション
とに応じた色となる。また、液晶セル１の各電極６、８
間に電圧を印加し、その実効電圧値を上昇させると、液
晶分子が初期ツイスト状態から徐々に立ち上がる。立ち
上がった配向状態に応じて液晶セル１のリタデーション
が変化し、反射型カラー液晶表示素子に入射した光は、
第１、第２の位相差板１２、１３の偏光作用と液晶セル
１の変化したリタデーションに応じた偏光作用とを受
け、これらに応じた楕円偏光となる。このため、このと
きの表示色は、液晶セル１に電圧を印加していないとき
の表示色と異なる。また、液晶セル１に液晶分子がほぼ
垂直配向する大きさの電圧を印加したときには、液晶セ
ル１のリタデーションはほぼ「０」となる。このときに
は、液晶セル１による偏光作用はほとんどなくなり、反
射型カラー液晶表示素子に入射した光は、第１、第２の
位相差板１２、１３の偏光作用のみによる楕円偏光とな
る。この楕円偏光は、下偏光板１１、反射板１４、およ
びその逆の経路を経て反射型カラー液晶表示素子から出
射し、この出射光の色は、第１、第２の位相差板１２、
１３のリタデーションに応じた色に着色される。

【００１２】このように、この反射型カラー液晶表示素
子では、液晶セル１と上偏光板１０との間に配置された
第１、第２の位相差板１２、１３と液晶セル１との両者
の複屈折性を利用し、走査電極６と信号電極８との間に
印加する信号を制御して液晶５に印加する実効電圧を制
御することにより、液晶５の複屈折性を制御して所望の
色を表示させることができる。このため、カラーフィル
タを用いなくても、カラー画像を表示することができ、
反射型であっても明るい表示ができる。また、表示色
は、液晶セル１の複屈折性だけでなく、第１、第２の位
相差板１２、１３の複屈折性によって得られるので、温
度変化によって液晶セル１のリタデーションが変化して
も、その影響は少なくてすみ、このため温度変化による
表示色の変動を低減できる。また、反射板１４は樹脂基
板１４ａに形成された反射面１４ｂが銀を蒸着した構造
であるから、拡散反射率が高く、波長依存性も小さく、
これにより全ての波長光の表示輝度が高くなり、電圧に
対する輝度変化の急峻性も上がり、このため反射型であ
っても、表示が明るく、彩やかなカラー画像を表示でき
る。さらに、この反射型カラー液晶表示素子では、上偏
光板１０の上面に入力用の透明なタッチパネル１５を設
けてあるが、上述の銀蒸着反射板を用いているため、表
示に実用上十分な明るさが得られ、タッチパネルを通し
てカラー画像を良好に見ることができるとともに、タッ
チパネルによるデータの入力が容易にできる。

【００１３】

【実施例】この実施形態の実施例として、配向膜７、９
の配向処理方向７ａ、９ａ、第１、第２の位相差板１
２、１３の延伸軸１２ａ、１３ａおよび上下の各偏光板
１０、１１の吸収軸１０ａ、１１ａの配置角度を図２
（ａ）〜（ｅ）に示す各角度の中心角度に設定し、図３
に示す反射率特性を有する反射板１４を用いて、反射型
カラー液晶表示素子を作成し、走査電極６と信号電極８
に１／６４デューティ、１／９バイアスの信号を供給し
て、スタティック駆動した。ここでは、反射板１４の反
射面１４ｂに銀を用いた実施形態の実施例と反射面１４
ｂにアルミニウムを用いた場合とを対比しながら説明す
る。反射面１４ｂに銀を用いた場合の実施例では、アル
ミニウムを用いた場合に比べて、拡散反射率が高く、し
かも波長依存性が小さい。すなわち、図３に示すよう
に、銀を用いた場合には、ほぼ全可視光波長（４００ｎ
ｍ〜７００ｎｍ）に対して拡散反射率がほぼ８０％であ
るのに対し、アルミニウムを用いた場合には、波長が４
００ｎｍから７００ｎｍと大きくなるのに従って拡散反
射率が７０％から６０％に次第に低下する。また、これ
らの反射板を用いて、実際に電気光学特性を測定する
と、図４に示す結果が得られた。すなわち、反射面１４
ｂに銀を用いた場合の実施例では、全階調波形での電圧
が１１Ｖ付近での背景色の輝度がほぼ４０ｎｔと高く、
電圧が１２Ｖ付近での背景色の輝度が１０ｎｔ程度に急
激に低下するが、アルミニウムを用いた場合には、電圧
が１１Ｖ付近での背景色の輝度がほぼ２０ｎｔと低く、
電圧が１２Ｖ付近での背景色の輝度が５ｎｔ程度に低下
する。したがって、銀を用いた場合の方が、アルミニウ
ムを用いたい場合に比べて、表示輝度が高く、電圧に対
する輝度変化の急峻性が良いことがわかる。

【００１４】なお、上記実施形態では、下偏光板１１の
下面側に反射板１４を設けた反射型カラー液晶表示素子
について説明したが、反射板１４を上偏光板１０の上面
側に配置しても、同様の効果を得ることができる。ま
た、上記実施形態では、上偏光板１０と液晶セル１との
間に第１、第２の位相差板１２、１３を配置したが、こ
れに限らず、下偏光板１１と液晶セル１との間に第１、
第２の位相差板を配置しても良く、また位相差板は必ず
しも２枚である必要はなく、１枚であっても３枚以上で
あっても良い。

【００１５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、液晶分子がツイスト配向された液晶セルと位相差板
との両者の複屈折性を利用してカラー画像を表示するの
で、カラーフィルタを用いる必要がなく、明るいカラー
表示ができ、また表示色は、液晶セルの複屈折性だけで
なく、位相差板の複屈折性とによって得られるので、温
度変化によって液晶セルのリタデーションが変化して
も、その影響が少なくてすみ、温度変化による表示色の
変動を低減でき、さらに反射板の反射面が銀で形成され
ているので、拡散反射率が高く、波長依存性も小さくな
り、これにより全ての波長光の表示輝度が高くなり、電
圧に対する輝度変化の急峻性も向上するため、明るく
て、彩やかなカラー画像を表示できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を反射型カラー液晶表示素子に適用し
た一実施形態の断面図。

【図２】図１の反射型カラー液晶表示素子の液晶セルの
配向処理方向に対する偏光板および位相差板の各光学軸
の位置関係を模式的に示した各平面図。

【図３】図１の反射板の反射面に銀とアルミニウムを用
いた場合における波長に対する拡散反射率を示す図。

【図４】図１の反射板の反射面に銀とアルミニウムを用
いた場合における全階調波形での電圧に対する輝度の特
性を示す図。

【符号の説明】

１ 液晶セル ２、３ 基板 ４ シール材 ５ 液晶 ６ 走査電極 ７ 上配向膜 ８ 信号電極 ９ 下配向膜 １０ 上偏光板 １１ 下偏光板 １２、１３ 位相差板 １４ 反射板 １４ｂ 反射面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 島村 千尋 東京都八王子市石川町2951番地の５ カシ オ計算機株式会社八王子研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内面に電極が形成された一対の基板間に
   液晶分子がツイスト配向されたネマティック液晶層を有
   する液晶セルと、この液晶セルを挾んでその表面側と裏
   面側とに配置された一対の偏光板と、これら一対の偏光
   板間に配置された位相差板と、前記一対の偏光板のうち
   の一方の偏光板の外面側に配置された反射板とを備え、 前記一対の偏光板の透過軸または吸収軸および前記位相
   差板の進相軸または遅相軸の向きと、前記液晶セルの基
   板近傍における液晶分子の配向方向とが、前記反射板と
   反対側に位置する他方の偏光板を透過して入射した光が
   前記液晶セルの複屈折効果と前記位相差板の複屈折効果
   とによって各波長光がそれぞれ偏光状態の異なる楕円偏
   光となり、かつその光のうち、前記反射板側に位置する
   一方の偏光板を透過した光が前記反射板によって反射さ
   れ、逆の光経路を経て前記他方の偏光板を透過した光の
   各波長光の光量比が所望の着色光に対応した比率になる
   ように設定され、 かつ前記反射板の反射面が銀で形成されている、 ことを特徴とする反射型カラー液晶表示素子。
2. 【請求項２】 前記反射板と反対側に位置する偏光板の
   外側には、透明なタッチパネルが設けられていることを
   特徴とする請求項１記載の反射型カラー液晶表示素子。