JP2000258760A

JP2000258760A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2000258760A
Application number: JP11066088A
Authority: JP
Inventors: Atsuko Ono; 敦子大野; Yuzo Hisatake; 雄三久武
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 1999-03-12
Publication date: 2000-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】透過表示、反射表示ともに光の利用効率が高
く、表示品位の良好な液晶表示素子を得る。【解決手段】２枚の透明基板にマトリクス状に配列さ
れた液晶画素を挟持し、観察側の基板にはこの液晶画素
の配列に応じた配列を有するカラーフィルタを形成し、
背面側の基板にはカラーフィルタの分光特性のピークと
なる波長を包含する選択反射波長帯域を有する選択反射
フィルタを形成する。この選択反射フィルタは好ましく
はコレステリック液晶薄膜により形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はカラー液晶表示装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の反射型液晶表示素子は、外光を利
用するため使用環境によっては照度不足のため表示画面
が暗くなり、特に暗所では全く利用することができな
い。一方で、暗い環境では透過型液晶表示素子として利
用できるように、外光を反射するための反射板として半
透過反射板（ハーフミラー）を用い、この半透過反射板
の背面にバックライトを具備した半透過型表示素子が応
用されてきた。しかしながら、半透過反射板は入射光の
利用効率が最大でも５０％であるため、表示画面の明る
さは透過型表示素子または反射型表示素子と比べて著し
く劣っていた。

【０００３】近年こうした問題に対し、反射板に画素毎
にピンホールを設け、このピンホールに対応したマイク
ロレンズを配置した半透過型液晶表示素子が検討されて
いる。この半透過型液晶表示素子においては、外光利用
時には反射板のピンホールを除く領域で反射した光を光
源として利用し、バックライト使用時にはピンホールを
透過した光をマイクロレンズにより集光することによ
り、光の利用効率を高めている。しかしながら反射板の
構造が複雑なため外付けの反射板を用いる必要が有り、
その結果視差が生じ表示性能を著しく低下させる。

【０００４】また、反射型表示素子の観察面側に導光板
を配置し、この導光板の側面に線状光源を配置したいわ
ゆるフロントライト方式の表示素子も検討されている。
しかしながら、フロントライト表面での表面反射が著し
く、コントラストなどの表示品位を著しく低下させてし
まう。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこれら従来の
反射型または半透過型液晶表示素子の問題点を新規な構
造にて解決し、光利用効率が高く表示品位が良好な表示
素子を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶表示素子
は、マトリクス配列された液晶画素の背面に配置された
複数の選択反射フィルタから構成される選択反射層と、
この選択反射層の前面（観察側）に配置されたカラーフ
ィルタ層とを具備する。

【０００７】この選択反射層は、互いに異なる波長帯域
の光を選択的に部分反射する複数の選択反射フィルタが
液晶画素に対応して所定周期で配列されてなる。これら
選択反射層は、各々の選択反射波長帯域の所定割合の光
を反射し、残りを透過する。従って前面（観察）側から
入射する外光のうち特定波長領域の光を選択反射波長帯
域における反射率に応じて反射し、一方背面側から入射
する外部光源光（バックライト光）のうち特定波長領域
の光を選択反射波長帯域における透過率に応じて透過す
る。このようにして外光、光源光両方が光源光として利
用され、半透過表示が可能となる。

【０００８】一方カラーフィルタ層は、異なる分光特性
を示す複数のカラーフィルタで構成され、各々の分光特
性のカラーフィルタは特定の選択反射特性の選択反射フ
ィルタと組み合わされる。即ち、個々のカラーフィルタ
の可視光域における分光特性のピーク波長がこれに対向
する選択反射フィルタの選択反射波長帯域内に含まれる
ように構成される。これら個々のカラーフィルタ層は、
選択反射フィルタにおいて反射または透過されて観察側
に出射される光をその分光特性に応じて透過／吸収す
る。またこのカラーフィルタ層は選択反射フィルタより
観察側に配置され、好ましくは観察側透明基板の内主面
に形成される。

【０００９】このようにそれぞれの液晶画素には特定の
関係の選択反射フィルタとカラーフィルタが組み合わさ
れ、Ｒ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）の色画素を構成する。通
常それぞれの色画素はストライプ配列される。従って、
選択反射フィルタ及びカラーフィルタもストライプ形状
とすればよい。

【００１０】本発明の液晶表示素子においては、選択反
射フィルタの選択波長帯域を色画素に応じたものとす
る。このような選択反射フィルタは、好ましくはコレス
テリック液晶薄膜により構成される。コレステリック液
晶層は、その螺旋方向と螺旋ピッチに応じた特定波長帯
域の光を選択的に反射し、他の光成分を透過することが
知られており、偏光素子としても応用されている。この
場合には、選択反射特性を可視光全域をカバーするよう
に調整することが一般的であるが、本発明の液晶表示素
子においてはＲＧＢの各色画素毎にその波長帯域をカバ
ーするようにコレステリック液晶の螺旋ピッチを設定す
れば良い。従って任意の選択反射フィルタはこれに隣接
するいずれかの選択反射フィルタとの間でその螺旋ピッ
チの平均値が異なるように作製される。

【００１１】この選択反射層は、背面側透明基板の内主
面全面にコレステリック液晶を塗布し、それぞれのフィ
ルタ領域毎に紫外線をその照射時間を調整して照射する
ことにより、異なる架橋ピッチの選択フィルタが配列さ
れた一つの層として形成することができる。選択反射層
を基板内主面に形成することにより、視差等をなくし、
表示品位を向上させることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施例におけ
る液晶表示素子１０の構成を示す。表示素子の観察側に
は、偏光板１１が配置され、その下層には、λ／４波長
板１２が配置されている。そしてλ／４波長板１２の下
層には、２枚のガラス基板１３、１４によって挟持され
た垂直配向型液晶層１５を有する液晶素子が配置されて
いる。

【００１３】また上側基板の内面には後述するようにカ
ラーフィルタ層が被着形成され、一方下側のガラス基板
１４と電極層１７との間には、コレステリック液晶をポ
リマー化したフィルム１８が被着形成されている。電極
層１７は画素毎に独立に形成され、この電極がマトリク
ス状に配列形成される。図２は、フィルム１８によって
透過または反射される光の様子を示す。フィルム１８に
用いられるコレステリック液晶は、その液晶分子１９の
捩れピッチｐと平均屈折率ｎを乗じた値ｎｐが入射光波
長λに等しい場合を想定している。このコレステリック
液晶の液晶分子が左回りの螺旋構造となっている場合、
入射光Ｌｆの左円偏光成分が選択反射され、残りの偏光
成分は透過する。コレステリック液晶は上記の値ｎｐが
入射光波長λに等しい場合、その螺旋方向（左回りまた
は右回り）と等しい方向（左回りまたは右回り）の円偏
光成分を理想的には１００％反射する機能を有するが、
コレステリック液晶を適当な厚さに薄膜形成することに
より、その選択反射波長領域における反射率（透過率）
を適当な値とすることができる。具体的には反射率を７
０〜９０％とすると、左回り（または右回り）の入射光
の７０〜９０％の光は反射され、３０〜１０％の光は透
過される。

【００１４】再び図１を参照して、本実施の形態の表示
素子１０の動作を説明する。図１ａは、垂直配向型液晶
層１５に電源２０から電圧が印加されたオン状態、正確
には液晶のスレッショルドレベル以上の電圧印加状態
（Ｖｏｎ時）を示す。この場合、ネマティック液晶分子
は上側基板から下側基板に向けて基板に水平な方向に配
列するホモジニアス配向となる。

【００１５】この状態において、図上方の観察側から入
射してくる光Ｌｆは、偏光板１１及び固定リターダー層
であるλ／４位相差板１２を介して、右回りの円偏光と
して可変リターダー層である垂直配向型液晶層（ＶＡ
層）１５に入射する。このとき、λ／４位相差板１２の
遅相軸は、偏光板１１の偏光軸に対して右回りに４５°
の角度をなすように配置される。

【００１６】そしてＶＡ層１５で位相がλ／２遅延され
ることにより、左回りの円偏光に変換されて偏光反射層
であるコレステリック液晶層１８に到達する。従って上
述したとおり到達した左回りの円偏光はコレステリック
液晶層１８により反射され、再びＶＡ層１５により位相
がλ／２遅延されることにより、右回りの円偏光に変換
されて出力される。この光が再びλ／４位相差板１２を
通過することにより、偏光板１１の偏光軸に沿った直線
偏光となり、偏光板１１を通過して出力され、明状態の
表示が得られる。

【００１７】図１（ｂ）は、垂直配向型液晶層１５にし
きい値以下の電圧が印加されたオフ状態（零電圧を含
む）（Ｖｏｆｆ時）を示す。この場合、液晶層は液晶分
子が基板に垂直に配列し、入射光を位相変調しない状態
となる。

【００１８】この状態において、図上方から入射してく
る光Ｌｆは、図１ａの場合と同様に、偏光板１１及びλ
／４位相差板１２を介して、右回りの円偏光として液晶
層１５に入射するが、同層１５では位相変調されず、右
回りの円偏光のままコレステリック液晶層１８に到達す
る。この右回りの円偏光は、表示素子の背面に向けて透
過していき、位相差板２５で偏光板２６の吸収軸に沿っ
た振動成分をもつ直線偏光に変換される。その結果、観
察面には光はもどらず、暗状態の表示が得られる。

【００１９】次にコレステリック液晶層１８の背面に面
光源２１を配置した場合の動作について説明する。面光
源２１は、アクリル平板などにより形成される導光板２
２と、その側面に配置された線状光源２４、および導光
板の背面に配置された拡散反射層２３により構成され
る。

【００２０】図１ａの状態即ちＶｏｎ時には、面光源か
ら出力される光Ｌｂは偏光板２６および位相差板２５に
より左回り円偏光となりそのうち所定の割合の光（１０
〜３０％）がコレステリック液晶層１８を通過し、残り
の光は反射される。そしてコレステリック液晶層１８を
通過した光は、ＶＡ層１５によって位相変調され、右回
りの円偏光に変換される。そしてこの光がλ／４位相差
板１２を通過することにより、偏光板１１の偏光軸に沿
った直線偏光となり、偏光板１１を通過して出力され、
明状態の表示が得られる。

【００２１】一方図１ｂの状態即ちＶｏｆｆ時には、コ
レステリック液晶層１８を通過した左回りの円偏光は、
ＶＡ層１５による位相変調を受けず、そのまま出力され
る。そしてこの光がλ／４位相差板１２を通過すること
により、偏光板５の偏光軸と直交する振動方向を有する
直線偏光となり、偏光板１１により吸収されて、暗状態
の表示が得られる。

【００２２】このようにして同一構造の表示素子を用い
て、外光を利用する場合、光源を利用する場合ともに、
極めて光利用効率の高い表示を得ることができ、明るい
表示が可能となる。

【００２３】本実施例において可変リターダは第一電圧
印加時と第二電圧印加時で液晶層による位相遅延が相対
的にλ／２生じるものを用いればよく、広義のいわゆる
ＥＣＢ型（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＣｏｎｔｒｏｌ
ｌｅｄＢｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅｍｏｄｅ）液晶
を使用することができる。

【００２４】また、コレステリック液晶層１８の偏光反
射層を可変リターダーであるＶＡ液晶素子の内部に形成
することにより、基板１４外面に偏光反射層を配置した
場合に比べ、基板１４による視差はなくなる。また偏光
反射層を、例えば基板１４上にＴＦＴ、ＭＩＭ素子など
のアクティブ素子を形成した場合の絶縁層として兼用す
れば、製造プロセスを簡略化でき、コストを低減でき
る。

【００２５】こうして、同一構成の表示素子により、外
光を利用した反射型表示と、背面光源を利用した透過型
表示が同時に可能となる。また、上記の例においては、
可変リターダー層に印加する電圧としてＶｏｎとＶｏｆ
ｆの中間の電圧を印加することにより、中間調表示をさ
せることももちろん可能である。

【００２６】また位相差板の遅相軸が偏光軸から左回り
に概略４５°の角度をなすように配置した場合、コレス
テリック液晶のツイスト方向を右回りとすることにより
同一の動作を達成できる。

【００２７】さて、図３に示すように、本実施例の液晶
表示素子においては、上側基板の内主面にカラーフィル
タ（ＣＦ）層が被着形成され、一方下側基板の内主面に
はコレステリック液晶（Ｃｈ）層が被着形成されてい
る。これらカラーフィルタ及びコレステリック液晶は液
晶画素を構成する電極パターンに応じたパターンを有し
ており、例えばＲＧＢそれぞれのカラーフィルタ及びコ
レステリック液晶で構成される選択反射層は、液晶画素
の列に沿ったストライプ形状に形成される。

【００２８】図４は、Ｇ画素に対応して配置されるコレ
ステリック液晶層の反射／透過特性を示す。即ち波長５
５０ｎｍを中心とする所定帯域の光を約７０％反射し、
約３０％反射する。他の波長領域の光はほとんど透過す
る。

【００２９】図５は、ＲＧＢ各画素に対応して配置され
るそれぞれのコレステリック液晶層及びカラーフィルタ
の光学特性を示す。ＲＧＢの各コレステリック液晶層は
それぞれ４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍに中心波
長をもつ所定帯域の選択反射率を示し、それぞれの反射
特性カーブはその裾の部分で一部重なっている。一方カ
ラーフィルタの分光特性は、それぞれのピークが対応す
るコレステリック液晶層の選択反射波長帯域内におさま
るようになっている。

【００３０】このように選択反射特性の異なる複数の領
域を有するコレステリック液晶層を含む下側基板は、例
えば次のように形成される。即ち下側基板となるガラス
基板上にポリイミド膜を全面に塗布形成し、適当な粒径
のスペーサを散布した後コレステリック液晶材料を塗布
する。そしてこの基板を加熱し、液晶層が等方状態（Ｉ
ＳＯ）となるまで加熱する。次にポリイミド膜を塗布し
た例えばガラス等の平板状の基板を下側基板に対向して
載置し、下側基板を加熱しながら所定のパターンのレチ
クルを介して紫外線をコレステリック液晶材料に照射す
る。紫外線照射された領域のコレステリック液晶材料は
光架橋により所定の螺旋ピッチを有する液晶ポリマーと
して固化する。次いで未硬化の領域に露光量を変えて紫
外線を照射し、順次これを繰り返すことにより、コレス
テリック液晶層に螺旋ピッチの異なる複数の領域を形成
することができる。尚それぞれのコレステリック液晶層
の螺旋ピッチは、その選択反射波長帯域に対応して所定
の変化幅を有し、その平均値がＲＧＢコレステリック液
晶領域毎に異なるように形成される。そして全ての領域
のコレステリック液晶層の固化を終えた段階で、下側基
板から相手方のガラス基板を剥離する。そしてこのコレ
ステリック液晶層上に例えばアクリル樹脂などのオーバ
ーコート層を形成し、ＴＦＴ等のアクティブ素子や液晶
駆動電極、及び可変リターダー層であるＶＡ層の配向膜
等を順次形成して、下側基板が完成する。

【００３１】一方上側基板は、周知の顔料分散法により
形成したＲＧＢのカラーフィルタ層上に透明電極を全面
に形成し、さらに配向膜を形成することにより得られ
る。そしてこれらの基板がコレステリック液晶層のパタ
ーンとカラーフィルタのパターンが揃うようにして封着
されて、本実施例の液晶表示素子が得られる。

【００３２】尚、選択反射特性の異なる複数の領域を形
成する手段としては、前述の方法即ち領域毎に紫外線露
光量を変える方法以外に、紫外線露光量は変えずに任意
の領域の露光時毎に基板加熱温度を変える方法も有効で
ある。

【００３３】図６は、図１の表示素子においてさらに背
面光源光の光利用効率を高めるための光学系を示す。即
ち、背面光源２１と偏光板２６との間に、位相差板５１
および第二のコレステリック液晶フィルム５２を配置し
たものである。

【００３４】この光学系は、光源光の一部を偏光板２６
の手前で偏光軸に沿った直線偏光に変換し、残りを反射
しリサイクル利用するためのもので、本実施例において
は第２のコレステリック液晶フィルム５２は、偏光反射
層１８と同じく左捩じれの螺旋構造を有し、位相差板５
１は位相差板２５の遅相軸と平行な遅相軸を有する。

【００３５】この構成において、光源光のうちの右回り
の円偏光成分は第２のコレステリック液晶フィルム５２
Ｋを透過し、左回りの円偏光成分は第２のコレステリッ
ク液晶フィルム５２により大部分が反射されるが、約１
０〜３０％の光は第２のコレステリック液晶フィルム５
２を透過する。そしてこの円偏光が位相差板５１に入射
すると、右回りの円偏光成分は偏光板２６の偏光軸と平
行な振動成分をもつ直線偏光に変換される。したがって
偏光反射層１８には、偏光板２６を透過し位相差板２５
によって変換された左回りの円偏光成分のみが入射す
る。

【００３６】この左回りの円偏光成分の約７０〜９０％
は偏光反射層１８により反射され、位相差板２５によっ
て偏光板を透過する直線偏光に変換され、さらに位相差
板５１によって第２のコレステリック液晶フィルム５２
を透過する円偏光に変換される。そして背面光源ユニッ
トの反射版まで到達して、偏光成分が分解される。これ
を繰り返すことにより、背面光源に向けて反射される光
をリサイクルして、光源光の利用効率を高めることがで
きる。

【００３７】尚、この光学系の構成は上記の構成にかぎ
られるものではなく、逆方向の捩れを有するコレステリ
ック液晶フィルムを用いた場合は、位相差板５１の遅相
軸方向を１８０°回転させることによって、同様の機能
を有する光学系を構成することができる。

【００３８】本実施例の液晶表示素子においては、選択
反射層を基板内面に形成することにより視差等の影響を
軽減し、また各色画素に対応して必要な選択反射特性を
示すようにコレステリック液晶パターンを配列させれば
よいので、コレステリック液晶層として可視光全域で偏
光反射特性を示すように形成する必要がなく、製造コス
トを低減できる。

【００３９】

【発明の効果】本発明の表示素子においては、外光を利
用した反射表示と背面光源光を利用した透過表示ともに
高輝度の表示画面を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の動作を説明する断面略
図で、（ａ）はＶｏｎの状態、（ｂ）はＶｏｆｆの状態
を示す。

【図２】本発明の一実施の形態の選択反射層の動作原理
を示す。

【図３】本発明の一実施の形態の特にカラーフィルタと
選択反射フィルタの配置関係を示す。

【図４】本発明の一実施の形態の選択反射フィルタの光
学特性の一例を示す。

【図５】本発明の一実施の形態の選択反射フィルタとカ
ラーフィルタの光学特性を示す。

【図６】本発明の他の実施例の略断面図を示す。

【符号の説明】

１８・・・コレステリック液晶層２１・・・背面光源１１・・・偏光板１２・・・ λ／波長板１３、１４・・・透明基板１５・・・垂直配向型液晶層１６，１７・・・透明電極層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H048 BA45 BB02 BB10 BB14 BB44 GA05 GA09 GA14 GA22 GA24 GA60 GA61 2H091 FA02Y FA07X FA08X FA08Z FA11X FA14X FA16Z FA23Z FA42Z GA13 HA09 JA02 KA10 LA12 LA15 LA19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２枚の透明基板に挟持され、マトリクス
配列された複数の液晶画素と、前記液晶画素の背面に配置され、互いに異なる波長帯域
の光を選択的に部分反射する複数の選択反射フィルタが
所定周期で配列された選択反射層と、各々の前記選択反射フィルタ前面に対向配置されたカラ
ーフィルタを有し、前記カラーフィルタの可視光域にお
ける分光特性のピーク波長がこれに対向する前記選択反
射フィルタの選択反射波長帯域内に含まれるカラーフィ
ルター層とを具備することを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】前記カラーフィルタ層は、前面側の前記
透明基板の内主面に形成されていることを特徴とする請
求項１記載の液晶表示装置。
【請求項３】前記選択反射層は、背面側の前記透明基
板の内主面に形成されていることを特徴とする請求項１
記載の液晶表示装置。
【請求項４】前記選択反射フィルタは、コレステリッ
ク液晶薄膜を含むことを特徴とする請求項１記載の液晶
表示装置。
【請求項５】前記コレステリック液晶薄膜は、隣接す
る選択反射フィルタ同士でその螺旋ピッチの平均値が互
いに異なることを特徴とする請求項４記載の液晶表示装
置。
【請求項６】各々の前記選択反射フィルタは前記液晶
画素の列に沿ってストライプ状に形成されていることを
特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
【請求項７】前記選択反射フィルタの選択反射波長帯
域がこれに隣接するいずれかの選択反射フィルタの選択
反射波長帯域と部分的に重なることを特徴とする請求項
１記載の液晶表示装置。
【請求項８】前記選択反射層の背面に面光源が配置さ
れていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装
置。