JPH1184129A

JPH1184129A - シート状偏光素子及びそれを用いた液晶表示素子

Info

Publication number: JPH1184129A
Application number: JP9249195A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Ito; 寿伊東
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 1997-09-12
Filing date: 1997-09-12
Publication date: 1999-03-26

Abstract

(57)【要約】【課題】自然光を高い効率で直線偏光に変換する偏光
分離・変換型偏光素子を得る。また、これを用いること
により、高輝度あるいは消費電力を省力化した液晶表示
装置を提供する。【解決手段】直角三角形状の三角柱がアレー状に配列
されたシート状プリズムアレーにおいて、三角柱の斜面
に低、高屈折率の薄膜から成る周期構造反射増加膜お
よびプリズム鉛直面に形成された１／４らせん構造を
有した分子配向状態にある液晶分子の薄膜からなる変調
部により構成され、入射光が反射増加膜により偏光分離
され、その反射光はさらに変調部により偏光変換され
、隣接のプリズム斜面で全反射されほぼ垂直に素子外
に射出される。一方、屈折光はp,s偏光成分をほぼ同じ
割合で有し、プリズム外に射出される。これらの反射
光、屈折光を偏光板を通してp偏光光のみにすることに
より、入射自然光から50％以上のp偏光光を得る。すな
わち 50％以上の透過率を得ることができ、反射増加膜
の設計により90％程度まで向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非偏光光から一方
向の偏光成分のみを生成する機能を備えたシート状偏光
素子に関する。本発明のシート状偏光素子は偏光光束を
必要とする任意の用途に使用され得るが、特に、液晶表
示素子のバックライト側に配置される偏光板に用いて有
利なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶パネルディスプレイに用いら
れるシート状偏光板は、二色性色素が基材の高分子フィ
ルム中に吸着され、１軸方向に配列されている。二色性
色素としては、ヨウ素、あるいは、アゾ染料が用いられ
る。シート状偏光板に入射した光のうち吸収軸方向の
偏光成分を有する光は吸収遮断され、それと直交する偏
光成分は透過させる。したがって、原理的には入射光の
透過率は50％となる。実際広く市販されている偏光板の
透過率は 40-45%である。すなわち、バックライトの光
量の約半分が偏光板により損失されるのが現状である。
このため表示画面の輝度を上げるにはバックライト光源
の出力を増加させる必要があり、省電力化に逆行するも
のである。

【０００３】光の利用効率を促進するための１つの技術
が、特開平８−２４８２２４に示されており、ここでは
２つの偏光成分を有する光を屈折率の異なる物質境界で
透過光と反射光にし、１つの偏光成分を位相変化を行う
位相子やファラデー素子等により偏波面を回転させた後
に、２つの偏光成分を同方向に進行するように方向を変
化させることにより、光源の光利用効率を高めている。

【０００４】しかしながら、この技術は偏波面を変換す
る位相子またはファラデー素子の波長依存性により、光
源波長により偏波面回転の分散が生じ、広帯域の波長に
対する光利用効率の向上が望めない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、この種の偏
光板の透過率が低く、該偏光板を用いた液晶表示装置の
輝度向上にはバックライトの電力を高める必要がある、
などの問題点を解決するためになされたものであり、そ
の目的とするところは広帯域で偏光板の透明性を大幅に
増加させることにより、輝度向上もしくはバックライ
トの電力の低減化を図った液晶表示素子を提供するにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のシート状偏光素
子は、直角三角形状の三角柱がアレー状に配列されてお
り、前記三角柱の斜面に低屈折率、高屈折率材料が積層
された多層反射増加膜が形成され、さらに直角を挟むひ
とつの面上に１／４らせん構造を有した分子配向状態に
ある液晶分子を配向固定した薄膜からなる変調部が形成
されたプリズムアレイシートであることを特徴とする。

【０００７】また、シート状偏光素子の直角三角形の一
つの頂角が40-50°であるとよい。

【０００８】また、シート状偏光素子の三角柱の斜面に
形成される多層反射増加膜が、屈折率が異なる二種類の
薄膜から成り高屈折率、低屈折率材料の薄膜が交互に積
層されたことを特徴とする。

【０００９】また、シート状偏光素子の三角柱の直角を
挟む一つの面に斜面に形成される前記変調部を構成する
１／４らせん構造の分子配向状態にある液晶分子が、重
合官能基としてアクリレート基、メタクリレート基、ビ
ニルエーテル基またはエポキシ基のうち少なくとも一つ
以上有していることを特徴とする。

【００１０】また、シート状偏光素子の三角柱の直角を
挟む一つの面に斜面に形成される前記変調部を構成する
１／４らせん構造の分子配向状態にある液晶分子がカイ
ラルネマティック相の分子配向状態にあることを特徴と
する。

【００１１】また、シート状偏光素子の三角柱の直角を
挟む一つの面に斜面に形成される前記変調部を構成する
１／４らせん構造の分子配向状態にある液晶分子がカイ
ラルスメクティック相の分子配向状態にあることを特徴
とする。

【００１２】また、シート状偏光素子の三角柱の直角を
挟む一つの面に斜面に形成される前記変調部が１／４ら
せん構造の分子配向状態にある液晶分子とそれ以外の有
機化合物の混合物からなることを特徴とする。

【００１３】また、シート状偏光素子の三角柱の直角を
挟む一つの面に斜面に形成される前記変調部を構成する
１／４らせん構造の分子配向状態にある液晶分子の液晶
相の分子配向状態が光重合により配向固定化されている
ことを特徴とする。

【００１４】また、シート状偏光素子の三角柱の直角を
挟む一つの面に斜面に形成される前記変調部を構成する
１／４らせん構造の分子配向状態にある液晶分子の分子
配向状態を制御する無機または有機分子の配向膜が少な
くとも一層用いられていることを特徴とする。

【００１５】また、シート状偏光素子において偏光面が
一致した透過光と反射光が出射する面に、出射光の偏光
面と偏光板の偏光軸が一致するように偏光板を設けると
よい。

【００１６】また、シート状偏光素子を液晶セルを挟む
偏光板において光源側の偏光素子として液晶表示素子に
用いるとよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の偏光分離・変換素
子の構造説明図であり、1 は頂角が 40-50゜の直角三角
形状の三角柱がアレー状に配置されたプリズムシートで
ある。このプリズムシートはプラスチック成形加工技術
をもって作製することができる。あるいはガラスから
成る長尺のプリズムをアレー状に配列することにより容
易に製作することができる。シート状プリズムアレー１
には、三角柱の斜面に低屈折率、高屈折率の薄膜から成
る周期構造反射増加膜２および直角プリズムの入射光
と平行な面に形成された１／４らせん構造を有した分子
配向状態にある液晶分子を配向固定した薄膜からなる変
調部３が形成される。

【００１８】低屈折率、高屈折率の薄膜から成る周期構
造反射増加膜２には、低屈折率である材料としては硫化
亜鉛、酸化セリウム、酸化チタンなど、低屈折率である
材料としてはフッ化マグネシウムが使われる。成膜方
法としては真空蒸着、もしくはスパッタリングが用いら
れる。交互に積層する高、低屈折率薄膜の各々の膜厚、
層数は周期構造反射増加膜の性能を設計する上で重要
である。

【００１９】１／４らせん構造を有した分子配向状態に
ある液晶分子を配向固定した薄膜からなる変調部３は入
射偏光面を 90度回転する機能をもつ光学変調部であ
り、構成する液晶分子の液晶相の分子配向状態を配向固
定化するために重合官能基を有することが望ましく、重
合官能基としてアクリレート基、メタクリレート基、ビ
ニルエーテル基またはエポキシ基のうち少なくとも一つ
以上有していることが好ましい。また、液晶分子は１／
４らせん構造を発現するためにコレステリック液晶が好
ましく、カイラルネマティック液晶、カイラルスメクテ
ィック液晶、ネマチック液晶とカイラル剤の混合物、ス
メクティック液晶とカイラル剤の混合物がより好まし
い。

【００２０】また、１／４らせん構造を有した分子配向
状態にある液晶分子を配向固定した薄膜からなる変調部
３を得るために、液晶分子の分子配向状態を制御する配
向層としては、配向層近傍の液晶分子の一軸配向性を発
現させるものであれば無機または有機分子の配向膜でも
かまわないが、有機分子であればポリイミド膜を光配向
させたもの、光異性化分子を光配向させたもの、二色性
有機分子を斜方蒸着等のドライプロセスで製膜したも
の、無機酸化物を斜方蒸着したもの、無機フッ化物を斜
方蒸着したものが好ましい。

【００２１】本発明の偏光素子の構造断面図である図２
により、本発明の機能を説明する。

【００２２】偏光していない光（自然光）５が第一のプ
リズム１０の斜面に入射すると周期構造反射増加膜２が
形成されているプリズム斜面で反射および屈折し、反射
光６および屈折光７に分離される。反射光６および屈折
光７の偏光状態および光強度は、周期構造反射増加膜２
の構成、すなわち高、低屈折率の値、膜厚および層数に
より決定される。ここで周期構造反射増加膜２を、反射
光６のｓ偏光成分が多くなるよう、また、屈折光７のｐ
偏光成分は多くなるように設計する。反射光６は１／４
らせん構造を有した分子配向状態にある液晶分子を配向
固定した薄膜からなる変調部３の作用によりｓ、ｐ偏光
成分が逆転し、その結果ｐ偏光成分は多くなり、透過光
８として隣接した第二のプリズム１１に入射し、その斜
面で全反射され、偏光光８’となる。この際、偏光状態
は変化しない。

【００２３】さらにｐ偏光が通過するように配置され
た、偏光板４を通り、射出光９となる。この射出光９は
ｐ偏光のみを偏光成分としてもつ直線偏光光である。一
方、屈折光７はｐ偏光成分とｓ偏光成分をほぼ等量にも
つ楕円偏光であるが、周期構造反射増加膜２の作用によ
りその光強度は反射光６に比し十分に低い。屈折光７は
反射光の場合と同様偏光板４を経て、ｐ偏光成分のみを
有する直線偏光光１２として射出する。反射光６が偏光
変換された直線偏光光９と直線偏光光１２を加え合わ
せ、直線偏光光源として利用できる。すなわち入射自然
光５は周期構造反射増加膜２を有した斜面で偏光分離さ
れ、更に反射光の偏光面変調により直線偏光光に変換さ
れる。その変換効率は50％以上、典型的には80％程度の
値が得られる。

【００２４】つまり、本発明のシート状偏光素子によ
り、非偏光光からｐ偏光成分の多い透過光で出射させｓ
偏光成分の多い反射光をｐ偏光に変換した後に出射させ
ることにより光エネルギーを損失させることなしに非偏
光光を一方向偏光に光利用効率を高く変換させることが
できる。また、１／４らせん構造の分子配向状態にある
液晶分子を配向固定した薄膜により偏光面の変調部が構
成されているため、広波長帯域で偏波面回転の分散の小
さい偏光面変換が可能になり、広帯域で光利用効率の向
上を得ることができる。

【００２５】

【実施例】次に、実施例に基づき本発明を詳細に説明す
る。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものでは
ない。［実施例１］直角の２辺が４ｍｍである直角２等辺三
角形を断面とし長さ５ｃｍのガラス製の長尺プリズムを
用意し、斜面に高屈折率薄膜材料である硫化亜鉛（Ｈと
略記する）０．０５μｍおよび低屈折率薄膜材料である
フッ化マグネシウム（Ｌと略記する）を０．０９μｍを
ＨＬＨＬＨＬＨＬＨの順に９層積層した。成膜は２つの
蒸発源を有する真空蒸着法によりおこなった。次に、直
角を挟む一辺に５酸化タンタル薄膜を斜め蒸着すること
により、配向膜を形成した。成膜法は電子ビーム蒸着に
より行った。次に、カイラル剤（CNL611L：旭電化社
製）とモノアクリレート液晶（UCL-002：ロディック社
製）をｄ／ｐ＝１／４に調整し、光硬化開始剤（IRG65
1：チバガイギー社製）を用いてプリズムアレイ垂直面
に１／４らせん構造を有した分子配向状態にある液晶分
子を配向薄膜上に作製した。その後、ＵＶ光を照射する
ことにより液晶分子の配向状態を固定した。このように
用意した長尺プリズム５本をガラス板上のアレイ状に配
置した。ガラス板の下面には偏光板を張り付け、本発明
の偏光分離・変換型偏光素子を作成、自然光を照射し
た。本偏光分離・変換型偏光素子から射出した直線偏光
の光パワーは入射自然光の 83％であった。

【００２６】［実施例２］直角の２辺が２ｍｍである
直角２等辺三角形を断面とし、面積１０ｃｍｘ１０ｃｍ
にプリズムがアレイ状に配列したシートを金型成形法に
より成形した。成形樹脂はポリメチルメタクリレート
（ＰＭＭＡ）であり、光硬化法によって成形した。次に
プリズムアレイ垂直面のみに配向膜が製膜できるよう
に、マスクを配置し５酸化タンタル膜を斜めに蒸着する
ことにより配向膜を作製した。次に、カイラル剤（CNL6
11L：旭電化社製）とモノアクリレート液晶（UCL-002：
ロディック社製）をｄ／ｐ＝１／４に調整し、光硬化開
始剤（IRG651：チバガイギー社製）を用いてプリズムア
レイ垂直面に１／４らせん構造を有した分子配向状態に
ある液晶分子を配向薄膜上に作製した。その後、ＵＶ光
を照射することにより液晶分子の配向状態を固定した。
１／４らせん構造を有した分子配向状態にある液晶分子
のプリズムアレイ斜面上のみの硬化薄膜をレジスト法及
びドライエッチング法により除去して変調部を作製し
た。さらにこの変調部を作製したプリズムシートに垂直
方向から蒸着することにより、斜面のみに多層膜を成膜
することができた。この時の薄膜材料および膜厚は、
第一の実施例の場合と同様であり、層構成はHLHLHLHの
７層とした。以上のプロセスで完成したプリズムアレイ
シートに自然光を照射し、偏光分離・変換の効率を測定
した結果、その効率は81％であった。さらに本発明の偏
光素子を液晶パネルのバックライト側の偏光板と差し替
え、その効果を比較した。その結果、本発明の偏光分離
・変換型偏光素子を挿入した場合の画像輝度が明かに高
いことが確認できた。

【００２７】

【発明の効果】本発明によると、自然光を非常に高い効
率で直線偏光光に変換できる。本発明の偏光分離・変換
型偏光素子を用いることにより、従来の偏光板を用いた
場合に比べ、液晶表示画面の輝度は30％程度向上し
た。このことはバックライトの液晶表示装置の省電力化
に結びつくことは明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の偏光分離・変換素子の構造説明図

【図２】本発明の偏光分離・変換素子の構造断面図

【符号の説明】

1 プリズムシート 2 周期構造反射増加膜 3 １／４らせん構造を有した分子配向状態にある液晶
分子の配向固定薄膜 4 偏光板 5 自然光 6 反射光 7 屈折光 8 透過光 8' 偏光光 9 射出光 10 第一のプリズム 11 第二のプリズム 12 射出光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直角三角形状の三角柱がアレイ状に配列
されており、前記三角柱の斜面に低屈折率、高屈折率材
料が積層された多層反射増加膜が形成され、さらに直角
を挟むひとつの面上に１／４らせん構造を有した分子配
向状態にある液晶分子を配向固定した薄膜からなる変調
部が形成されたプリズムアレイシートであることを特徴
とするシート状偏光素子。
【請求項２】請求項１記載の直角三角形の一つの頂角
が40-50°であるシート状偏光素子。
【請求項３】請求項１記載の三角柱の斜面に形成され
る多層反射増加膜が、屈折率が異なる二種類の薄膜から
成り高屈折率、低屈折率材料の薄膜が交互に積層された
ことを特徴とするシート状偏光素子。
【請求項４】請求項１記載の三角柱の直角を挟む一つ
の面に斜面に形成される前記変調部を構成する１／４ら
せん構造の分子配向状態にある液晶分子が、重合官能基
としてアクリレート基、メタクリレート基、ビニルエー
テル基またはエポキシ基のうち少なくとも一つ以上有し
ていることを特徴とするシート状偏光素子。
【請求項５】請求項１記載の三角柱の直角を挟む一つ
の面に斜面に形成される前記変調部を構成する１／４ら
せん構造の分子配向状態にある液晶分子がカイラルネマ
ティック相の分子配向状態にあることを特徴とするシー
ト状偏光素子。
【請求項６】請求項１記載の三角柱の直角を挟む一つ
の面に斜面に形成される前記変調部を構成する１／４ら
せん構造の分子配向状態にある液晶分子がカイラルスメ
クティック相の分子配向状態にあることを特徴とするシ
ート状偏光素子。
【請求項７】請求項１記載の三角柱の直角を挟む一つ
の面に斜面に形成される前記変調部が１／４らせん構造
の分子配向状態にある液晶分子とそれ以外の有機化合物
の混合物からなることを特徴とするシート状偏光素子。
【請求項８】請求項１記載の三角柱の直角を挟む一つ
の面に斜面に形成される前記変調部を構成する１／４ら
せん構造の分子配向状態にある液晶分子の液晶相の分子
配向状態が光重合により配向固定化されていることを特
徴とするシート状偏光素子。
【請求項９】請求項１記載の三角柱の直角を挟む一つ
の面に斜面に形成される前記変調部を構成する１／４ら
せん構造の分子配向状態にある液晶分子の分子配向状態
を制御する無機または有機分子の配向膜が少なくとも一
層用いられていることを特徴とするシート状偏光素子。
【請求項１０】請求項１記載のシート状偏光素子にお
いて偏光面が一致した透過光と反射光が出射する面に、
出射光の偏光面と偏光板の偏光軸が一致するように偏光
板を設けたシート状偏光素子。
【請求項１１】請求項１記載のシート状偏光素子を液
晶セルを挟む偏光板において光源側の偏光素子として用
いた液晶表示素子。