CN1041967C - 液晶显示元件及其使用的层叠相位差片 - Google Patents

Abstract

一种无偏振片的明亮、反差大的反射型液晶显示元件及其使用的层叠相位差片。在上下基板1、2上形成一对电极3、4，将取向膜5印刷在两电极上，对两基板进行打磨处理后贴合形成空元件。在混合了微量手性试剂的手性扭转液晶中溶解1%的蒽醌系列的二色性色素11，生成宾主型液晶，并将其注入空元件中制成液晶板12。将1/4波片即相位差片13及反射片14配置在液晶面板12的背后。

Description

液晶显示元件及其使用的层叠相位差片

本发明涉及使用宾主型液晶而不使用偏振片的明亮的反射型液晶显示元件及其使用的层叠相位差片。

在使用向列液晶的显示元件中，随着液晶分子取向的不同而有若干种模式。最普及的是扭转向列(TN)模式，此外还有各向同性(垂直)取向或均匀(水平)取向的双折射模式、宾主模式等。

TN液晶是将介电常数呈各向异性的正向列液晶夹在经过水平取向处理的带电极的基板之间而成的，液晶分子长轴在基板之间连续扭转90°的状态而为稳定状态。这时垂直于基板入射的线偏振光的偏振面沿液晶的取向旋转90°。因此，如果使起偏品和检振器正交，则显现白色。另外，若通过施加电压使液晶分子直立，则入射的线偏振光可直接进入液晶层，因被检偏器吸收而显现黑色。

由于TN模式或双折射模式的液晶显示元件需要有偏振片，因此自然光中的一个方向的偏振光被吸收掉。从而，即使在理想状态下，透射率也达不到50％以上，通常约为20～30％。因此，特别是在利用外界光的反射型液晶的情况下，显示非常暗。

作为不使用偏振片的明亮模式有如图4所示的相变宾主模式，现在研究得最充分的是明亮的反差大的模式。而且正在试制使用该模式的多色反射型TFT液晶板(例如S．Mitsui，Y．Shimada等人，SID＇92，pp437～440)。如果将二色性色素和螺旋螺距比较短的胆甾醇型液晶混合的宾主液晶夹在基板之间，则如图4(a)所示，扭转螺旋沿垂直于基板的方向取向。这时，入射光被色素吸收，例如，如果使用黑色素，则显现黑色。由于二色性色素有沿液晶分子的长轴方向的吸收轴，所以入射的线偏振光由于液晶分子的作用，沿无旋光方向的吸光度大。因此使用双折射率△n尽可能小的主液晶。如果将电压加在该液晶上，首先如图4(b)所示，螺旋轴平行于基板，如果再加电压，螺旋松开，变成如图4(c)所示的垂直取向。这时，由于色素的吸光度小，所以底部反射板的颜色明亮可见。

在宾主型液晶情况下，如果加大元件厚度d，增大色素浓度，反差就会增大，但亮度下降。另外，暗状态和亮状态的透射率(或反射率)的对数比率称为“二色性比”为宾主型液晶的性能指标。二色性比越大就越亮，能获得反差大的显示。在相变宾主型液晶模式情况下，为了提高二色性比，除了减小双折射率△n外，增大元件厚度d与液晶螺旋螺距P的比率d／p是有效的。但是，如果越使d／p增大，则有使驱动电压变高的副作用。通常采用的d／P的值约为2，驱动电压高达10V左右，是TN模式的2倍以上。另外，电压升高时与下降时的阈值电压不同，表现出一种滞后现象。因此难以显示中间色调。另外，在无电压状态和饱和状态之间要经过改变螺旋轴方向的中间状态，因此不适合矩阵驱动。

作为不用偏振片的另一模式，如图5所示，有将1／4波片31和反射板32配置在均匀(水平)取向的宾主型液晶的背后的模式(例如ァプラィドフィヅツクスレタ-ズ(应用物理通讯)，30卷，12号，619页，H．S．Cole和R．A．Kashnow(1977))。在无电压状态下，图5(a)所示的平行于水平取向的液晶分子入射的偏振光在入射途中被色素吸收掉。另外，垂直于水平取向的液晶分子的线偏振光透过液晶层后通过返回途中的1／4波片31后变成圆偏振光，在反射板32上反射后成为返回的圆偏振光。垂直于水平取向的液晶分子的线偏振光再通过返回途中的1／4波片31，相位移动1／2波长，变成平行于液晶分子的线偏振光，返回液晶层，被液晶中的二色性色素吸收掉。因此，显示变暗。另一方面，如果施加电压，则变成图5(b)所示的垂直取向，液晶层中光的吸收变少。因此，显示变亮。

但是，使用上述以往的1／4波片的液晶显示元件的反差非常低，几乎注意不到。反差之所以这么低，是因为相位差随光的入射角的不同而不同，往复通过1／4波片的光不能完全变换成线偏振光，在返回途中产生不被色素吸收的成分。下面对此进行详细说明。即光在某一方向的偏振光(平行于液晶分子长轴)被二色性色素吸收。垂直于液晶分子长轴的偏振光透过液晶层，入射到相位差片上。通常采用1／4波片作为相位差片，设沿与偏振光之间成45°角度的滞后轴方向的主折射率为n_p，沿与偏振光正交的超前轴方向的主折射率为n_s。透过液晶层的偏振光以与包含液晶分子的长轴和基板法线的面成θ的入射角入射时的相位差，用随着入射角θ的增大而减小的双折射率与随着入射角θ的增大而增大的距离之积表示，即下式(1)：

{n_pn_s／(n_p ²sin²θ+n_s ²cos²θ)^1／2 1

-n_s}d／λcosθ

上式(1)可近似地变为下式(2)，当入射角θ增大时，相位差与cosθ成比例地减小。(n_p-n_s)dcosθ/λ 2

与此不同，在包含液晶分子短轴和基板法线的面上，双折射与角度无关，因此相位差变为下式(3)，随入射角θ的增大，与cosθ成反比地急剧增大。(n_p-n_s)d/λcosθ 3

这样，例如即使设定入射角θ=0°时，相位差片的相位差为λ／4，当入射角为30°时，相位差片的相位差变化就很大，在返回途中有未被色素吸收的光，反差交得极低。

另外，在这种模式中，液晶的取向是均匀的，阈值特性的陡峭性不明显，可进行矩阵驱动的像素数很少。

另一方面，作为现在广泛使用的一种模式，有将TN模式扭转很大的超扭转向列(STN)(Super Twisted Nematic))模式，而即使在该模式中，也使用相位差片。若将STN液晶夹在偏振片之间，则因为扭转螺距短而呈现双折射颜色。而且，其双折射量(相位差)随着电压的变化而变化，所显示的颜色也变化。为了不使STN液晶带颜色，近年来使用一种由高分子材料制成的相位差板的技术显著地发展起来。为了消除由STN液晶的双折射产生的附加色，通常使用相位差为400～500nm左右的高分子材料相位差片。可是，这种消色用的相位差板与入射角有关，存在由于视角方向不同而使得显示带色等缺点，因此提出了消除这种缺点的方法如下(例如，Y．Fujimura，T．Nagatuka，H．Yoshimi和T．Shimomura：STD＇91 Digest，35．1(1991))。

通常，沿厚度方向的主折射率n_z相对于相位差片面内的主折射率n_p、n_s(n_p＞n_s，n_p方向称为滞后轴方向，n_s方向超前轴方向)来说，n_z与n_s相等，或稍小些。从正面看液晶板对，n_z无影响，可是斜视液晶板时，n_z的成分加进了双折射量中。由于沿相当于式(3)的方向，即相当于包含液晶分子短轴和基板法线的面内的方向，n_z比n_s大，因此斜视时的双折射率变小，光路变长，两者相抵消，使得相位差的变化变小。

若根据长塚(前面已提到)等的模拟方法，当满足下式(4)时，相位差对入射角的依赖关系最小。

      n_z=(n_p+n_s)／2 4

作为实现式(4)所示关系的具有代表性的相位差片，有日束电工(株)制作的三维折射率控制相位差膜NRZ。在该相位差膜NRZ的情况下，通过对聚碳酸酯的延伸方法的研究，以控制厚度方向的主折射率n_z。

除此之外，通过贴双折射率△n为正的和负的通常的相位差膜的方法，也能实现满足式(4)所示条件的相位差片。

本发明就是鉴于上述情况而开发的，其目的是提供一种无偏振片的明亮的反差大的反射型液晶显示元件及其使用的层叠相位差片。

为了达到上述目的，本发明的液晶显示元件的结构中至少备有通过取向膜将宾主型液晶夹在相对的电极之间的液晶层；配置在液晶层背后的相位差片；以及配置在相位差片背后的反射片。这样设定相位差片的相位差，使通过液晶层的偏振光入射到相位差片上，并在反射片上反射，再次从上述相位差板上出射时，偏振光的相对相位差改变180°，而且设定沿相位差片的厚度方向的主折射率为面内的2个主折射率的中间值。

另外，在本发明的液晶显示元件的结构中，相位差片的相位差相对于波长为550nm的光来说，最好为大约1／4波长。

另外，在本发明的液晶显示元件的结构中，取向膜为垂直取向膜，而且宾主型液晶最好是在介电常数各向异性的负的向列液晶中混合有二色性色素的液晶。

另外，在本发明的液晶显示元件的结构中，宾主型液晶有180°～250°的热转向列结构，上述扭转向列结构的螺距最好比摩根极限值大。另外，这时相位差片为1／4波片，相位差片的双折射主轴最好位于与液晶层中距相位差片最近的液晶分子的取向成30°～60°角度的方向上。

另外，在本发明的液晶显示元件的结构中，相位差片最好由相位差波长色散比聚碳酸酯小的材料构成。这时相位差片最好由聚乙烯醇构成。

另外，本发明的层叠相位差片的结构的特征为：该层叠相位差片是将折射率与波长的相关性小的相位差片A和折射率与波长的相关性大、且其相位差比相位差片A小的相位差片B，使滞后轴大致正交贴合而成的，相位差片B的沿厚度方向的折射率n_ZB比沿滞后轴方向的折射率n_PB大。

另外，在本发明的层叠相位差片的结构中，沿相位差片B的厚度方向的折射率n_ZB与沿滞后轴方向的折射率n_PB之差同相位差片B的厚度d_B的乘积(n_ZB-n_PB)×d_B最好为层叠相位差片的相位差的一半左右。这时，相位差片A最好由聚丙烯或聚乙烯醇构成，相位差片B最好由聚碳酸酯构成。

另外，在本发明的液晶显示元件的结构中，相位差片是将折射率与波长的相关性小的相位差片A和折射率与波长的相关性大且其相位差比相位差板A小的相位差板B，使滞后轴大致正交贴合而成的层叠相位差片，相位差片B沿厚度方向的折射率n_ZB最好比沿滞后轴方向的折射率n_BP大。

如果采用本发明的液晶元件结构，则由于至少备有通过取向膜将宾主型液晶夹在相对的电极之间的液晶层、配置在液晶层背后的相位差片、以及配置在相位差片背后的反射片，而且这样设定相位差片的相位差，使通过液晶层的偏振光入射到相位差片上，并被反射片反射，再次从相位差片射击时，偏振光的相位差改变180°，并且设定沿相位差片的厚度方向的主折射率为面内的2个主折射率的中间值，因此，从任何方向入射到相位差片的偏振光都旋转1／2波长，变成与入射偏振光正交的线偏振光后返回液晶层。而且该线偏振光与入射时一样，沿液晶分子长轴旋转，被宾主型液晶中的二色性色素吸收。因此没有反射光，同时二色性比也变大。从而实现明亮的、反差大的显示。

在本发明的液晶显示元件的结构中，如果采用使相位差片的相位差相对于波长550nm的光来说为1／4波长左右的好的实施例，则波长为550nm的光从任何方向入射到相位差片的偏振光都只旋转1／2波长。

在本发明的液晶显示元件的结构中，如果采用取向膜为垂直取向膜，而且宾主型液晶为在介电常数为各向异性的负的向列液晶中混合二色性色素的液晶的好的实施例，则二色性比变得更大。

在本发明的液晶显示元件的结构中，如果采用使宾主型液晶具有180°～250°的扭转向列结构，且该扭转向列结构的螺距比摩根极限值大的好的实施例，则能提高阈值特性的陡峭性，可进行矩阵驱动。这时，如果采用相位差片为1／4波片，且相位差片的双折射主轴与最靠近液晶层的相位差片的液晶分子的取向成30°～60°角度的方向的好的实施例，则能实现反差高的显示。

在本发明的液晶显示元件的结构中，如果采用相位差片是由相位差的波长色散比聚碳酸酯小的材料构成的好的实施例，则能降低显示的带色性，提高反差。这时，如果采用相位差片是由聚乙烯醇构成的好的实施例，则能使相位差的波长色散比聚碳酸酯的情况下更小。

如果采用本发明的层叠相位差片的结构，则由于该层叠相位差片特征是将折射率与波长的相关性小的相位差片A和折射率与波长的相关性大且其相位差与相位差片A小的相位差片B，使滞后轴大致正交贴合而成，且沿相位差片B的厚度方向的折射率n_ZB比沿滞后轴方向的折射率n_PB大，所以能补偿相位差对入射角的依赖关系，能实现相位差与波长成比例地单调增加的层叠相位差片。从而对全部波长来说都没有反射光，减少显示时的带色性，同时更加增大反差。

在本发明的层叠相位差板的结构中，如果采用使沿相位差片B的厚度方向的折射率n_ZB与沿滞后轴方向的折射率n_PB之差同相位差B的厚度d_B的乘积(n_ZB-n_PB)×d_B大约为层叠相位差片的相位差的一半的好的实施例，则能进一步降低相位差对入射角的依赖关系。

以下，结合附图，用实施例对本发明进行更具体地说明。

图1是本发明的液晶显示元件的第1个实施例的断面图。

图2是本发明的液晶显示元件的第2个实施例的断面图。

图3是本发明的层叠相位差片的示意图。

图4是接以往的技术制作的液晶显示元件之一例的断面图。

图5是按以往的技术制作的液晶显示元件的另一例的断面图。

图6是按以往的技术制作的层叠相位差片的相位差与波长的关系特性曲线图。

以往研究的是相变宾主模式，最适合于作为明度和反差指标的二色性比率高的反射型彩色液晶。而本发明的液晶显示元件是采用1／4波片的宾主模式和不依赖于入射角的相位差片组合而成的，因此与以往的液晶显示元件相比较，能获得二色性比高二成的显示。

作为STN用的相位差片，通常采用相位差为400nm左右的薄膜，但还能制作相位差更小的薄膜。即使入射角变化，也可使相位差的变化极小的相位差片的相位差小到相当于λ／4，如果将该相位差片配置在宾主型液晶的背后，在采用以往的1／4波片的液晶显示元件的情况下，能使非常低的反差显著的变高。

另外，以往的宾主型液晶是均匀取向的，所以得不到阈值特性的陡峭性，不适合于矩阵驱动，但在STN液晶的情况下，明显地由于呈扭转取向，所以提高了阈值特性的陡峭。可是，在STN液晶中，利用双折射设定入射的线偏振光变成像椭圆偏振光那样扭转，在此条件下，由色素产生的吸光度下降。但是，如果使扭转取向满足成为波导的摩根极限条件，则入射的线偏振光的偏振面沿液晶分子长轴旋转，因此能获得与均匀取向时同样的吸光度。如果，所谓摩根极限条件是设液晶的双折射率为△n、扭转螺距为P、入射光波长为λ时由下式(5)表示的条件。

    p＞8λ／△n            5

    式中设p＞＞λ／△n

第一实施例：

图1是本发明的液晶显示元件的一个实施例的断面图。如图1所示，在由玻璃制成的上基板1上形成由氧化铟锡构成的行电极3a、3b及3c。另外，在同样由玻璃制成的下基板2上形成由氧化铟锡构成的列电极4。在行电极3a、3b、3c和列电极4上印刷有聚酰亚胺取向膜5，对每个基板都进行了沿图面从右向左的打磨处理。然后用球形隔离垫、以12μm的间隔将这两块基板贴合起来，并在其周围涂敷密封树脂6。于是形成空元件。

将微量手性试剂S-811混合在BDH(株)制作的向列液晶E-8(△n=0．23)中，作成螺距为24μm的手性向列液晶，将若干种颜色的蒽醌系列的二色性色素混合到上述手性向列液晶中而成黑色的二色性色素11，将其溶解1％生成宾主型液晶，将该宾主型液晶注入上述空元件中。于是制成液晶板12。

如上制成液晶板12后，液晶在元件内扭转180°，实现超扭转向列结构7。利用透射偏光显微镜观察该元件时，确认平行于上基板1上的液晶分子8的长轴的偏振光9被吸收，垂直于液晶分子8的长轴的偏振光10能透射。即入射的线偏振光沿任何方向扭转旋光，一部分光被二色性色素11吸收，另一部分几乎不被吸收而透过，沿虚线箭头16、16＇所示方向行进。当该液晶板12的常数符合式(5)所示的摩根极限条件式时，扭转螺距P为24μm，液晶的双折射率△n为0．23，因此波长直至690nm的可见光满足式(5)，可知与实验一致。在相变宾主型模式的情况下，液晶的双折射率小者为好，但在本实施例的液晶显示元件中，为了提高响应速度，增大液晶的双折射率，即使液晶层较薄，也超过了摩根极限值。

在液晶板12的背后设有1／4波片，它是日东电工(株)制作的NRZ、也就是对于波长为550nm的入射光来说，能得到140nm的相位差的相位差片13。在相位差片13的背后设有扩散铝反射片14。相位差片13的延伸方向(双折射的主轴方向)相对于下基板2上的液晶分子15的长轴(取向方向)成45°角的方向，该方向的主折射率n_p与在面内与其正交的主折射率n_s之差同相位差片13的厚度d的乘积为140nm。n_s、n_p与厚度方向的主折射率n_z之差同相位差片13的厚度d的乘积为70nm。因此，波长为550nm的从大约±50°的任何方向入射到相位差片13上的偏振光都只旋转1／2波长，变成与入射偏振光正交的线偏振光17、17＇返回液晶层。而且，该线偏振光17、17＇与入射时一样，沿液晶分子长轴旋转，被二色性色素11吸收。因此无反射光。

但是，构成相位差片的材料是聚碳酸酯时，相位差波长色散(与波长的依赖关系)比较大，特别是蓝色的波长的双折射量△nd／λ变大，所以不被吸收的成分多，呈稍带蓝色的显示。作为STN模式的消色用的相位差片，与液晶分子的双折射波长色散一致的相位差片的反差较大，所以适合采用相位差波长色散大的聚碳酸酯。但是，在本发明的情况下，问题变成降低带色的显示，使反差更大，所以适合采用相位差波长色散小的聚乙烯醇。

如果在该液晶显示元件的电极之间施加2．5V．60Hz的矩形波，则图1中的液晶分子18和二色性色素19都变成垂直取向。因此色素的吸光度下降，变成明亮的显示。在普通的室内吊灯的照射下，用亮度计测定明暗部分之间的反差约为8∶1。

为了进行比较，将与以往相同的普通的1／4波片和反射片配置在相同的液晶板背后，测定结果表明反差约为2．3。

另外，用通常的电压平均化法对本实施例的液晶板进行矩阵驱动时，能率比为1／32，所得反差为4．5。均匀取向时，能率比的极限约为1／4。另外，如果通过脉宽调制，施加中间值有效电压，则容易进行层次显示。

如果液晶的扭转大于本实施例中的180°而小于50°时，则阈值特性的陡峭性更大，可进行矩阵驱动的像素数增多。但即使在这种情况下，扭转螺距也必须保持在摩根极限值以上，因此如果采用相同的液晶，元件厚度增加。而且该元件厚度比通常的STN液晶时的厚度还大，因此，响应速度变得更慢。液晶的扭转为180°时，作为超扭转取向，响应速度非常快，进行矩阵驱动时的阈值特性还保持着一定程度的陡峭性，因此可以说达到了最佳平衡条件。

在本实施例中，采用日东电工(株)制作的ZNR1／4波片作为相位差片13，但不一定受此限制，也可以是使反射的偏振光旋转1／2波长的相位差片。另外，入射角的相关性的补偿方法及相位差也不一定受本实施例的限制。例如将相位差为-70nm的负相位差片贴在通常的相位差为70nm的单轴相位差片上，也能使相位差对入射角的依赖性小，且反差比以往更大。

在黑白显示的情况下，作为1／4波片的基准波长，最好采用视觉灵敏度最高的550nm，但在彩色显示的情况下，必须与该显示色的波长一致。

另外，在本实施例中，下基板2上的液晶分子15的长轴(取向方向)与相位差片13的延伸轴(双折射的主轴)之间的交角为45°，但不一定受此角度的限制，如果使该交角在30°～60°的范围内，则暗状态会变得相当暗，实现反差大的显示。

第2实施例：

在第1实施例中，采用水平取向膜，进行180°扭转取向，使多数行可进行矩阵驱动。但使用像素数少的显示板时，由于阈值特性的陡峭性不成问题,所以对能使二色性比更高的取向状态进行了研究。结果表明，采用垂直取向膜，以及采用介电常数各向异性的负的向列液晶时，二色性比会变得更大。其原因在于水平取向膜的束缚力大，所以取向膜附近的液晶分子及二色性色素分子即使施加电压也不动，因此变得稍暗。与此相反，由于垂直取向膜的束缚力非常小，取向膜附近的液晶分子也有响应，能得到较大的二色性比。

图2是本发明的液晶显示元件的第2个实施例的断面图。作为液晶27，采用在介电常数各向异性的负的メルク(公司)制作的ZLI2806中的溶解2％的正型光致抗蚀剂黑色二色性色素(分子颠倒时吸光)而成的液晶。作为取向膜25，是在两基板上涂敷日产化学(株)制作的聚酰亚胺系列垂直取向膜SE1211。对上基板沿图面向右、对下基板沿图面向左进行反向平行打磨处理。然后，用球形隔离垫以5μm的间隔将两基板贴合起来。将上述的液晶27注入到如上形成的空元件中，从而可实现与基板法线倾斜数度的取向38、39。不加电压时，大致就是这样的垂直取向，所以不吸光。当施加电压后，液晶分子28及色素分子31向打磨方向倾倒，大致呈均匀(水平)取向状态，因此平行于取向方向的偏振光9被吸收。与第1实施例一样，如果将进行过入射角相关性补偿的1／4波片即相位差片13和反射片14配置在元件背后，则入射途中透过的偏振光10从相位差片13再次射击时，相位旋转180°，在返回途中被吸收。

作为相位差片13，与第1实施例一样，采用日东电工(株)制作的1／4波片ZNR时，反射率为50％，反差为15。换算成二色性比约为4．9。为了进行比较，使用相同的二色性色素，制成相变宾主型液晶板，反射率为50％时，反差约为9。换算成二色性比约为4．2。由此可知，本实施例中的液晶显示元件的反差比前者约大1．5倍，二色性比也大18％。如果采用本实施例中的液晶显示元件的结构，则可进行层次显示，驱动电压也可降低到5V。如果用未对入射角相关性进行补偿的相位差片作为1／4波片时，反射率为50％时，反差非常小，仅为4．5。

可是用NRZ作为相位差片时，由于相位差对波长的依赖性大，所以显示带色。如果对入射角的相关性进行补偿，实现相位差与波长成比例地单调增加的相位差片，则对全部波长来说都无反射光，因此能降低带色显示，同时反差更大。本发明者通过对日东电工(株)制作的宽频带波长膜(wide-band retardation film)进行改进，实现这种相位差片，进一步改进了第1实施例中的液晶显示元件。

首先，说明作为原有技术的日东电工(株)制作的宽频带波长膜的波长相关补偿原理。该宽频带波长膜是将折射率对波长的依赖性大的薄膜a(聚碳酸酯)和对波长依赖性小的薄膜b(聚丙烯)重叠贴合而成的。图6示出了薄膜a、b的△nd与波长的关系曲线。实线30a、30b分制表示薄膜a、b的相位差。实线30c表示将薄膜b和比薄膜b薄的薄膜a，使滞后轴正交贴合而成的层叠薄膜的△nd。即，实线30c是薄膜b的△nd与薄膜a的△nd之差，成单调增加的曲线。另外，虚线31是△nd=λ／4时的相位差的曲线，实线30c近似该虚线31，可知相对于哪个波长，接近于条件△nd=λ／4。可是，以往的宽频带波长膜未进行入射角相关性补偿，所以反差比使用NRZ时还低。

补偿宽频带波长膜这种层叠薄膜的入射角相关性的第1种方法是调整厚度方向的折射率，使贴合的2种薄膜中的任何一种都满足入射角相关性小的式(4)。但实际上这种调整既有材料方面的困难，又与成本高有关。而在本实施例中，通过将普通的聚丙烯薄膜和使厚度方向的折射率n_z增大的聚碳酸酯薄膜贴合起来构成层叠相位差片。

图3是本发明的层叠相位差片的结构示意图。设聚丙烯薄膜沿滞后轴方向、超前轴方向、厚度方向的折射率及厚度分别为n_P1、n_S1、n_Z1及d₁，设聚碳酸酯薄膜沿滞后轴方向、超前轴方向、厚度方向的折射率及厚度分别为n_P2、n_S2、n_Z2及d₂。使聚丙烯薄膜的超前轴与聚碳酸酯薄膜的超前轴正交这一点与以往相同，但在本实施例中，设定聚碳酸酯薄膜沿厚度方向的折射率n_Z2比沿滞后轴方向的折射率n_P2大。这是因为如果在含有超前轴方向的折射率n_S1的面内使入射角变大，则根据式(3)，聚丙烯薄膜的相位差与cosθ成反比而变大，但如果n_Z2=n_P2，聚碳酸酯薄膜的相位差与cosθ成反比，则层叠相位差片总体的相位差也与cosθ成反比而变大，所以聚碳酸酯薄膜与入射角的相关性变得更大。

当n_Z2=n_P2时，层叠相位差片的相位差由下式(6)表示，假设与入射角相关性未补偿的单层1／4波片相同。

          (λ／4)／cosθ    6

因此，为了补偿该假设的单层1／4波阻片的相位差与入射角的相关性，如果能适用式(4)，则接满足下式(7)的关系设计时，预计相位差与入射角的相关性会达到最小。 $n_{z2}\×d_2=n_{p2}\×d_2+\mathrm{\λ}/8-7$

上式(7)意味着聚碳酸酯薄膜沿厚度方向的折射率n_Z2与沿滞后轴方向的的折射率n_P2之差同聚碳酸酯薄膜厚度d₂的乘积(n_Z2-n_P2)×d₂为层叠相位差片的相位差的大约一半。实际上改变图4中的层叠相位差片的n_Z2后，进行观察时确认了这一事实。在本实施例中，所使用的层叠相位差片沿聚丙烯薄膜面内的双折射(n_P1-n_S1)d₁为605nm，沿聚碳酸酯薄膜面内的△nd即(n_P2-n_S2)×d₂为465nm，(n_Z2-n_P2)×d₂为535nm。但，这些相位差是用渡长为550nm的光测定时的值。

当采用具有图2所示结构的对该入射角相关性和波长相关性进行了补偿的层叠相位差片的液晶显示元件时，无电压状态下的反射率约为50％，加5V电压时的反差约为20，实现了明亮、反差大且无彩色的黑白反差显示，换算成二色性比为5、3。即与相变宾主型液晶板的情况相比较，反差高达2倍，二色性比也大26％。而且，在入射角相关性和波长相关性两者都能得到补偿的本发明的层叠相位差片中，波长相关性大的聚碳酸酯薄膜沿厚度方向的折射率n_Z2比沿滞后轴方向的折射率n_P2大，但作为层叠相位差片总体则满足式(4)。

如上所述，印因为(n_P1-n_S1)d₁=605nm，n_Z1=n_S1，(n_P2-n_S2)d₂=465nm，(n_Z2-n_S2)d₂=535nm，所以根据这些关系式，层叠相位差片的滞后轴方向、超前轴方向及厚度方向的平均折射率Np、Ns、Nz分别由式(8)、式(9)、式(10)表示。N_p=(n_p1d₁+n_s2d₂)／(d₁+d₂)          8N_s=(n_s1d₁+np₂d₂)／(d₁+d₂)          9N_z=(n_z1d₁+n_z2d₂)／(d₁+d₂)          10由式(8)-式(9)导出下式(11)所示的关系，由式(9)-式(10)导出下式(12)所示的关系。(N_p-N_s)(d₁+d₂)=(n_p1d₁+n_s2d₂)-(n_s1d₁+n_p2d₂)=(n_p1-n_s1)d₁-(n_p2-n_s2)d₂=605nm-465nm=140nm(N_z-N_s(d₁+d₂)=(n_z1-n_s1)d₁-(n_p2-n_z2)d₂=0-{(n_p2-n_s2)d₂-(n_z2-n_s2)d₂}=0-(465-535)=70nm再由式(11)、式(12)导出下式(13)所示的关系。N_z=(N_p+N_s)／2    13

上式(13)是与式(4)相同的关系式，表示相位差与入射角的相关性达到最小。即本层叠相位差片可用来作本发明的液晶显示元件的相位差片。

在本实施例中，使层叠相位差片的相位差为λ／，但在本发明的液晶显示元件以外使用时，通过设计一个相位差片，使其满足用φ／2(φ为相位差)代替式(7)中的λ／8后的条件，则能获得相位差与波长的相关性和与入射角的相关性得到补偿的层叠相位差片。

在本实施例中，采用聚丙烯和聚碳酸酯作为层叠相位差片的材料，但不一定受此结构的限制，也可用聚乙烯醇作为构成层叠相位差片的2种材料中折射率对波长的依赖性小的材料。

如上所述，本发明的液晶显示元件是将在STN的双折射模式中使用的视场角补偿相位差片与使用以往由于反差非常低而不被注意的1／4波片的反射型宾主液晶相组合而成的。因此消除了以往的反射型液晶所存在的全部问题，而实现了明亮、反差非常大、而且容易进行层次显示、驱动电压低的液晶显示元件。另外，能实现1／4波片的相位差对入射角的依赖关系和对波长的依赖关系这两者都能得到补偿的相位差片，将这种相位差片用于本发明的液晶显示元件中，进一步提高了显示性能。

以往，在宾主模式中，由于宾主型液晶是均匀取向或像相变宾主型那样扭转360°以上，所以难以进行矩阵驱动。但在本实施例中，采用使宾主型液晶扭转250°以下的向列结构，如果使该扭转向列结构的扭转螺距比摩根极限值大，通过与入射角相关性得到补偿的相位差片组合，即使由单纯的矩阵驱动，也能实现反差大的显示。

如果将有源元件附加到本发明的液晶元件中，驱动多数像素，使用透射率高的微型滤色片，则可获得反射型彩色显示。但在本发明的液晶显示元件中，因在液晶层的背后设有相位差片和反射片，因此在液晶层与相位差片及反射片之间的距离大时，呈现出重影。因此，在理想情况下，最好将相位差片和反射片设置在液晶面板内部。将相位差片和反射片设置在液晶面板外部时，位于液晶层和相位差片之间的基板应作得很薄，例如最好使用塑料基板等。因此，即使在像素间距小的场合，也基本上能消除重影的问题。

如上所述，如果采用本发明的液晶显示元件，则不管从哪个方向入射到相位差片上的偏振光都只旋转1／2波长，变成与入射偏振光正交的线偏振光，返回液晶层。然后，该线偏振光与在入射途中一样，沿液晶分子长轴旋转，被宾主型液晶中的二色性色素所吸收。因此，无反射光，同时二色性比变大。从而能实现明亮、反差大的显示。

如果采用本发明的层叠相位差片，则能补偿相位差对入射角的依赖关系，还能实现相位差与波长成比例地单调增加的层叠相位差片。从而能使全部波长无反射光，降低带色显示，同时进一步加大反差。

Claims (11)

1．一种液晶显示元件，其特征在于，它至少备有通过取向膜将宾主型液晶夹在相对的电极之间的液晶层、配置在液晶层背后的相位差片、以及配置在相位差片背后的反射片，这样设定相位差片的相位差，使通过液晶层的偏振光入射到相位差片上，被反射片反射，再次从相位差片射出时，上述偏振光的相位差改变180°，而且设定相位差片沿厚度方向的主折射差为面内的2个主折射率的中间值。

2．根据权利要求1所述的液晶显示元件，其特征在于，所述相位差片的相位差对波长为550nm的光来说，约为1／4波长。

3．根据权利要求1所述的液晶显示元件，其特征在于，所述取向膜为垂直取向膜，而且宾主型液晶是将二色性色素混合在介电常数各向异性的负的向列型液晶中而成的液晶。

4．根据权利要求1所述的液晶显示元件，其特征在于，所述宾主型液晶有180°～250°的扭转向列型结构，该扭转向列型结构的扭转螺距大于摩根极限值。

5．根据权利要求1所述的液晶显示元件，其特征在于，所述相位差片是1／4波长片，相位差片的双折射的主轴位于与液晶层中最靠近相位差片的液晶分子的取向成30°～60°角的方向上。

6．根据权利要求1所述的液晶显示元件，其特征在于，所述相位差片由相位差的波长色散比聚碳酸酯小的材料构成。

7．根据权利要求6所述的液晶显示元件，其特征在于，所述相位差片由聚乙烯醇构成。

8．根据权利要求1所述的液晶显示元件，其特征在于，所述相位差片是将折射率对波长的依赖关系小的相位差片A和折射率对波长的依赖关系大且其相位差比相位差片A小的相位差片B，使滞后轴大致成正交贴合而成的层叠相位差片，相位差片B沿厚度方向的折射率n_ZB比沿滞后轴方向的折射率n_PB大。

9．一层叠相位差片，它是将折射率对波长的依赖关系小的相位差片A和折射率对波长的依赖关系大且其相位差比相位差片A小的相位差片B，使滞后轴成正交贴合而成的层叠相位差片，其特征在于，所述相位差片B沿厚度方向的折射率n_ZB比沿滞后轴方向的折射率n_PB大。

10．根据权利要求9所述的相位差片，其特征在于，所述相位差片B沿厚度方向的折射率n_ZB与沿滞后轴方向的折射率n_PB之差同相位差片B的厚度d_B的乘积(n_ZB-n_PB)×d_B大约为层叠相位差片的相位差的一半。

11．根据权利要求10所述的相位差片，其征在于，所述相位差片A由聚丙烯或聚乙烯醇构成，相位差片B由聚碳酸酯构成。

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