JP2001092367A

JP2001092367A - 反射型表示装置

Info

Publication number: JP2001092367A
Application number: JP26618499A
Authority: JP
Inventors: Toru Hashimoto; 徹橋本
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 1999-09-20
Filing date: 1999-09-20
Publication date: 2001-04-06
Anticipated expiration: 2019-09-20
Also published as: JP4570058B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、偏光板を用いた反射型液晶表示装
置のような反射型表示装置において、偏光板を通過する
ことによる低反射率表示の問題を解決した反射型表示装
置を提供することを目的とする。【解決手段】透光性の基板と、その背面側に配設され
た凹凸表面を有するプリズムと、前記透光性基板と率よ
りも大きな屈折率を示す他方の状態の媒体の少なくとも
２つの屈折率の異なる媒体に、電気的信号により変更す
ることが可能な液晶層等であり、前記一方の状態の媒体
の場合には、前記プリズムと媒体との界面における前記
透光性基板側からの入射光の反射が低減され、前記他方
の状態の媒体の場合には、前記プリズムと媒体との界面
における前記透光性基板側からの入射光の多くが全反射
するように、前記プリズムの凹凸表面が形成されている
反射型表示装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は反射型の表示装置に
関するもので、特にプリズムシートと異なる屈折率に切
り換え可能な媒体とを設けた反射型の表示装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、反射型の表示装置として各種のも
のが実用化されており、代表的なものとして反射型液晶
表示装置がある。反射型液晶表示装置は、例えば図５に
示すように構成されている。符号９０が反射型液晶表示
装置であり、図面左側がＯＦＦ状態を表し、図面右側が
ＯＮ状態を模式的に表現している。

【０００３】図５において、反射型液晶表示装置９０
は、例えば液晶表示装置９２と反射板９１とからなる。
液晶表示装置９２は、液晶層９５を一対のガラス基板９
３で挟持してなる液晶セルと、その外側に配置された一
対の偏光板９４とからなる。各ガラス基板９３の内面側
にはＩＴＯ等の透明電極９６が設けられ、周辺をシール
９７にて接着固定して液晶層９５を封止している。反射
板９１は、液晶表示装置９２側の表面を拡散反射面とし
ており、液晶表示装置９２を透過してきた入射光ａを反
射するものとされている。

【０００４】液晶層９５には、例えば誘電異方性が正の
ツイストネマチック液晶が用いられ、液晶層９５に電圧
を印加しない状態、すなわちＯＦＦ状態では、９０度ね
じれて水平配列する。液晶層９５に閾値電圧よりも高い
電圧を印加した状態、すなわちＯＮ状態においては、液
晶分子は電界により垂直方向に配列する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、偏光板９４
の透過率は理論上５０％が最大である。したがって、こ
のような一対の偏光板９４を用いた反射型液晶表示装置
９０においては、入射光ａは反射板９１に届くまでの間
で２回、反射した後に２回、計４回偏光板９４を通過し
ているため、反射光ｂとして観察者の目に届くまでの間
に非常に多くの光を損失してしまい、せいぜい２０％程
度の反射率しか得られない。そのため、表示が暗く見に
くいため視認性に劣るものであった。

【０００６】そこで、かかる問題を解決するために偏光
板を１枚しか用いない形式の液晶表示装置も提案されて
いる。しかし、その場合においても少なくとも往復の２
回は偏光板を通過するため、到底５０％以上の反射率を
得ることはできない。また、偏光板を使用しないポリマ
ー分散型液晶を用いた反射型液晶表示装置も提案されて
いるが、その場合には偏光板を用いないため反射率を高
くすることはできるものの、白表示部分の反射率のみで
なく、黒表示部分の反射率も高くなってしまうためにコ
ントラストが低下し、表示品位に劣るものであった。

【０００７】本発明は、以上の点に鑑み、５０％以上の
高い反射率と、高いコントラストの得られる反射型の表
示装置を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明の第
一の態様によれば、透光性の基板と、その背面側に配設
された凹凸表面を有するプリズムと、前記透光性基板と
対向するように該基板背面側に配設した電極を備える対
向基板と、両基板間に挟持された媒体とを備えた反射型
の表示装置であって、前記媒体は、前記プリズム凹凸表
面と接触する媒体の状態が、前記プリズムの屈折率と略
等しい屈折率となる一方の状態の媒体と、前記プリズム
の屈折率よりも大きな屈折率を示す他方の状態の媒体の
少なくとも２つの屈折率の異なる媒体に、電気的信号に
より変更することが可能であり、前記一方の状態の媒体
の場合には、前記プリズムと媒体との界面における前記
透光性基板側からの入射光の反射が低減され、前記他方
の状態の媒体の場合には、前記プリズムと媒体との界面
における前記透光性基板側からの入射光の多くが全反射
するように、前記プリズムの凹凸表面が形成されている
反射型表示装置により達成される。

【０００９】この第一の態様では、一対の電極間に電圧
を印加することによりコントラストの高い反射型表示装
置が得られる。

【００１０】他の態様によれば、さらに、前記媒体が屈
折率異方性を示す液晶層であること、前記液晶層がΔｎ
が０．４以上の液晶材料であることとした反射型表示装
置により達成される。液晶層を媒体に用いることで、
液晶分子の屈折率異方性を用いて、電界を加えることで
容易に高い反射率で、実用的な反応速度を有する反射型
表示装置が得られる。

【００１１】また、他の態様によれば、更に第一の態様
の媒体が気体の媒体と有機材料の媒体の少なくとも２つ
の状態の媒体を有するものであって、前記プリズム凹凸
表面と接触する媒体の状態を物理的な移動により切り換
える移動手段を備えており、前記有機材料は、プリズム
の屈折率とほぼ等しい屈折率である反射型表示装置によ
り達成される。この態様によれば、移動手段により物理
的に屈折率を変更するので、液晶層を用いた場合に比べ
て広い温度範囲で安定した高い反射率とコントラストを
有する反射型表示装置が得られることになる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好適な実施形態
を図１〜図４を参照しながら、詳細に説明する。

【００１３】図１は、本発明による反射型液晶表示装置
１０の第１の実施形態を示している。図１（Ｂ）の概略
断面図に示すように、観察者側に設けた透光性の基板１
５の一方の表面にはＩＴＯ等の透明電極１４およびプリ
ズム１７が形成されており、他方の観察者側の表面には
拡散板１６が配設されている。背面側には透光性基板１
５と対向するように内側に対向電極１２を備えた吸光性
基板１１が配設されている。また、両基板１１、１５の
間には液晶層１３が挟持されており、その周辺部をシー
ル１８により気密的に接着固定することで封止してい
る。

【００１４】反射型液晶表示装置１０は以上のように構
成されており、透明電極１４と対向電極１２との間に電
界をかけることにより液晶層１３の液晶分子を駆動して
表示するものとされている。液晶層１３に電界を印加し
ない状態においては、図面左側に示したように液晶分子
は水平に配列するものとされ、電界を印加した状態、す
なわち、図面右側においては、液晶分子が垂直に配列す
るものとされ、この液晶分子の配列の切換による屈折率
の変化により表示のＯＮ−ＯＦＦを制御する。

【００１５】ここで、本発明による反射型液晶表示装置
１０による表示制御について説明するまえに、本発明に
よるプリズムを用いた表示装置の原理について図３を参
照して説明する。符号２７にて示すものはプリズムで、
該プリズム２７は平板なガラス基板２５上に形成したＩ
ＴＯ透明電極２４の上に、臨界角よりも小さな角度にて
進入してきた入射光ａを反射するように四角錐などの所
定形状の凹凸表面となるように透光性材料により形成し
たもので、例えば、紫外線硬化樹脂などを用いて所定形
状に作成されている。符号２１にて示すものは黒色の吸
光性基板２１で、黒色の光吸収面をプリズム２７の凹凸
表面と対向するように設置している。このように配置す
ると、プリズム２７と吸光性基板２１との間に空隙２２
が生じる。

【００１６】ここで、プリズム２７の凹凸面における反
射条件について検討する。全反射角θｃはスネルの法則
よりθｃ＝ｃｏｓ^−１（ｎ２／ｎ１）にて表現すること
ができる。境界面の接線から図った角度である入射角θ
１が全反射角θｃよりも小さければ全反射が起こるか
ら、プリズムの角度を調整することで広い視認範囲に対
して全反射面とすることができる。

【００１７】図３（Ａ）は大気中における状態を示す。
大気中においては空隙２２に空気が存在するため、この
空隙部分における屈折率は１．０である。プリズム２７
として屈折率が約１．５のプリズムを用いた場合には、
臨界角すなわち全反射角θｃは上記した式より４８．２
度となる。よって、プリズム２７の四角錐カットの角度
をこの全反射角θｃを基に設定することで、基板法線に
対して広い視野範囲において入射光ａの大部分を反射光
ｂとして観視することができる。

【００１８】このとき、図面右側の（Ｂ）に示すように
空隙２２にプリズム２７と同一の屈折率を有する透明充
填材料２３を充填したとする。このようにすると前記し
た凹凸表面における全反射条件は満たされなくなり、入
射光ａはプリズム２７及び透明充填材料２３を通過して
黒色基板２１に到達して吸収され、反射光ｂは殆ど観察
されなくなる。すなわち、プリズム２７の凹凸面の界面
と接する媒体の屈折率を変化させることで、明るい反射
条件と、透過条件を切り換えることができ、特に凹凸面
と対向して黒色等の吸光性基板を配置しておくことで、
コントラストにすぐれた表示を行なうことができる。

【００１９】ここで、先の第１実施形態に戻って、説明
を続ける。液晶層１３としては例えば誘電率異方性が正
のトラン系の液晶材料を用い、ｄ／ｐ＝０．２５、すな
わち９０度のツイスト配向をするようにカイラル材を添
加した。吸光性基板１１側表面に図示しない水平配向膜
を形成した後にラビング等の配向処理を施して電圧無印
加状態で水平に配向するようにし、他方の透光性基板１
５側には配向処理を施さず、一方の基板側の配向処理と
カイラル材により液晶分子が吸光性基板１１側から９０
度ツイストして配列するようにした。

【００２０】また、プリズム１７は、三角柱形状の断面
を有するプリズムを複数並設したものとし、その溝の方
向と上記したラビング配向処理方向とが略等しくないよ
うに配設している。

【００２１】液晶層１３の液晶分子は屈折率異方性を有
しており。その長軸方向をＺ軸と一致させたＸ、Ｙ、Ｚ
の直交座標系において各軸方向の液晶分子の屈折率をｎ
ｘ、ｎｙ、ｎｚと定義する。その場合、一軸性の液晶分
子は一般に図１（Ａ）に模式的に示したようなｎｚ＞ｎ
ｘ≒ｎｙ屈折率異方性を有するラグビーボール状であ
り、長軸方向の屈折率をｎｅと称し（＝ｎｚ）、短軸方
向の屈折率をｎｏと称する（＝ｎｘ≒ｎｙ）。

【００２２】まず、電界を印加しないＯＦＦ状態につい
て説明する。図１（Ｂ）の左側に示すように液晶分子１
３ａは吸光性基板１１に施したラビング配向処理方向
（図面の法線方向）に沿って長軸方向が並び、そこから
９０度ツイストしながら水平に配列した配向状態を示
す。この液晶層１３を観視方向である上方から観察した
場合において、液晶層１３の屈折率はｎｅとｎｏの平均
的な値と考えられ、次式（１）のように考えられる。式（１） √（（ｎｅ^２＋ｎｏ^２）／２）

【００２３】ＯＦＦ状態においては、この（１）式にて
表される屈折率の液晶分子１３ａとプリズム１７とが接
触している。このときプリズム１７の屈折率ｎｐと上記
（１）式で表される屈折率とが略等しいものとされてい
れば、プリズム１７と液晶層１３との界面において反射
光は殆ど生じない。その場合には、入射光ａはプリズム
１７および液晶層１３を通過して黒色等とした吸光性基
板１１に到達し、該吸光性基板１１にて吸収されるもの
となり反射光ｂは殆ど観察されない黒表示となる。

【００２４】一方ＯＮ状態、すなわち、透明電極１４と
対向電極１２の間に液晶層１３の閾値電圧以上の電圧を
印加した場合には、液晶分子１３ｂは図１（Ｂ）の右側
に模式的に図示したように長軸方向が垂直となるように
配列する。垂直方向に配列した液晶分子１３ｂを同じく
上方から観視した場合には、屈折率ｎｏの液晶層１３が
存在することになる。

【００２５】ここでプリズム１７の屈折率ｎｐは、前記
したように式（１）と略等しい屈折率とされているか
ら、ｎｐ＞ｎｏの関係が成立する。従ってＯＮ状態にお
いては、プリズム１７と液晶層１３との界面において反
射光が生じる。このとき、プリズム１７の凹凸表面をｎ
ｐとｎｏとの屈折率差に応じた全反射角度θｃを求めて
おき、これに応じた所望の角度を備えた断面形状の凹凸
面としたプリズムとしておけば、入射光ａを広い視野範
囲にわたって効率よく反射することが可能となる。

【００２６】具体的には、ｎｏ＝１．５、ｎｅ（＝ｎ
ｚ）＝１．９のトラン系液晶層１３を用い、プリズム１
７としてＮＴＴアドバンステクノロジ株式会社製のｎｐ
＝１．７５の透光性樹脂（＃５６１５）を用いた場合に
は、ＯＦＦ状態にあっては、液晶層１３の屈折率は上記
式（１）より１．７１となり、両者の界面における反射
は殆ど生じない。一方ＯＮ状態においては、液晶層１３
の屈折率はｎｏ（＝ｎｘ＝ｎｙ）＝１．５となり、液晶
層１３とプリズム１７との界面において反射光が生じ
る。

【００２７】一対の電極１４、１２間に電界を加えて媒
体である液晶層１３の屈折率を上記のように切り換えて
ＯＮ表示およびＯＦＦ表示の反射型液晶表示装置１０を
観察した。ＯＮ表示においては高い反射率が得られ、法
線方向で約７２％であった。また、ＯＦＦ状態において
はプリズム１７の凹凸面での反射が消失し、低反射率の
表示となり、コントラストの優れた表示が得られた。な
お、ＯＮ状態における両界面での全反射角θｃは３１．
０度（ｄｅｇ）となるから、プリズム１７の凹凸形状表
面をこの全反射角を基に調整しておくと入射する光の大
部分を広い視野範囲で反射することができ好ましい。

【００２８】なお、本実施形態においてはトラン系の一
軸性の液晶を用いてラビング配向とした液晶層とした
が、他のビフェニル系、ＰＣＨ系、ＣＣＨ系、アゾ系、
シアノ系、フッ素系などの液晶材料であっても良く、配
向もツイスト配向、一軸水平配向、垂直配向などの各種
の配向制御をラビング、光配向などで施した場合にも適
用できる。また、二軸性の液晶分子でも構わないが、最
も大きな屈折率とそれ以外の屈折率との差が大きなもの
が好ましく、特にｎｅとｎｏの屈折率差Δｎが０．３以
上、更に好ましくはΔｎが０．４以上の一軸性の液晶材
料とすることが好ましい。

【００２９】また、上記した実施形態においては、液晶
層１３がツイスト配向している例で説明したが、液晶分
子が図２に示すように図面法線方向に一軸配向処理を施
して液晶分子４３ａ全体が一軸配向している液晶層４
３、すなわち液晶分子４３ａの長軸方向を紙面法線方向
に配列するようにして、且つ、三角柱状の断面を有する
形状のプリズムを多数並設したプリズム１７の溝方向
（図面において法線方向）とが同一なものとした場合に
は、ＯＦＦ状態における液晶層４３の屈折率は一軸に配
向しているのでｎｅの屈折率と考えることができ、且
つ、上記したようにプリズム１７の溝方向と平行とする
ことで偏光成分による反射光をも低減することができ、
一層の界面反射の低減が可能となり好ましいものとな
る。

【００３０】次に本発明の第２の実施形態について説明
する。図４は本発明の第２の実施形態の構成を示してい
る。図４において、反射型表示装置３０は、図１におい
て示した液晶層１３の代わりに光学噛み合わせ層３８を
形成している。

【００３１】観察者側のガラス製の透光性基板３５の背
面側には、凹凸面３７を形成したプリズム３４が形成さ
れており、前面側には拡散フィルム３６を貼付してい
る。背面側には透光性基板３５と対向するように電極３
２を設けた基体３１が配設され、その上には、ピエゾ素
子などの圧電素子からなる形状変形素子３９、黒色吸光
層３３および光学噛み合わせ層３８が順次積層されてい
る。

【００３２】光学噛み合わせ層３８は、プリズム３４の
凹凸面３７の形状と噛み合う形状とされ、また、プリズ
ム３４と略同一の屈折率を有する材料により形成されて
おり、例えば逆プリズム形状を紫外線硬化樹脂により形
成している。なお、光学噛み合わせ層３８は、プリズム
３４の凹凸面３７と当接した際に変形して密着する軟ら
かな材料により作成することが好ましい。

【００３３】形状変形素子３９は、光学噛み合わせ層３
８をプリズム３４と物理的に密着可能に移動するもの
で、圧電素子の他、モーターによる駆動など他の手段で
移動するものであっても良い。黒色吸光層３３は、黒色
印刷を形状変形素子３９表面に施すことにより形成して
いる。なお、光学噛み合わせ層が吸光性の高い材料であ
る場合には、省略しても構わない。

【００３４】反射型表示装置３０は以上のように構成さ
れており、電極３２に駆動信号を入力することで形状変
形素子３９を移動させ、プリズム３４と光学噛み合わせ
層３８とが図面左側（Ａ）の離れた状態から右側（Ｂ）
の接近した状態、そして図示しない接触した状態を選択
的に移動することができる。これにより両基板３１、３
５間に挟持されたプリズム３４の凹凸部表面と接する媒
体は、大気の状態の媒体とそれとは異なる屈折率の光学
噛み合わせ層３８の状態の媒体とが切り換わることにな
る。

【００３５】このような反射型表示装置３０によれば、
図１に示した反射型液晶表示装置と同様に、光学噛み合
わせ層３８がプリズム３７と離れている状態には大気と
の界面における反射作用での高反射表示がなされる。一
方、略同一屈折率としたプリズム３７と光学噛み合わせ
層３８とが密着した状態の際には、両界面における反射
が低減され、両者の界面を通過した入射光は黒色吸光層
３３にて吸収され、低反射表示とされる。これによりコ
ントラストに優れ、高い反射率を有する明るい表示を得
ることができる。

【００３６】なお、上述した実施形態においては、観察
者側に拡散フィルム３６を配設して視認性を高めている
例について説明したが、拡散フィルム等の散乱板は省略
したものでも良い。しかし、プリズムと基板との界面に
おける反射光など、プリズム凹凸面における界面での反
射光を著しく低減した低反射状態においても反射光や、
透光性基板表面での反射光は存在する。それゆえ、上記
した拡散フィルムや、同一出願人による特願平９−２１
９５８４号に記載したような、所定の厚みを有し、該厚
み方向の一方の面から他方の面に透過する光を拡散する
度合いと、該他方の面から該一方の面に透過する光を拡
散する度合いが異なる光拡散板を用いたり、透明な媒体
と該媒体中に混入された前記媒体の屈折率と異なる屈折
率の粒子とを含み、前記粒子の混入密度が前記厚み方向
に関して変化するように前記粒子が該媒体中に分布して
いる前記した拡散する度合いが異なる光拡散板などを配
設することで、表示コントラストをさらに高めることが
でき好ましいものとなる。

【００３７】また、プリスムは紫外線硬化樹脂を用い
て、基板上に直接形成する例について説明したが、紫外
線硬化樹脂、熱硬化樹脂、エポキシ樹脂などの硬化性の
樹脂を所望の凹凸形状とした金型表面に薄く塗布した状
態で硬化させてフィルム状とした薄膜プリズムのよう
に、別体に形成したものを基板に貼付するものであって
も良い。また、凹凸面の形状もプリズムの頂角、密度、
頂部もしくは下端部の形状および平坦性などを適宜設計
することで任意のプリズムを用いることができる。例え
ば、感光性樹脂に所望のフォトマスクを介して露光した
後に熱処理を施す際に、その温度等を設定することで、
感光性樹脂の表面張力を利用して所定形状のマイクロレ
ンズアレイを形成したもの等を用いることができる。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、プ
リズムと接する媒体の屈折率を変化させることで、屈折
率差の大きな場合のプリズムによる屈折率反射の関係を
利用した高反射率表示と、屈折率差の殆どない場合の低
反射率表示とを切り換えることができ、これにより、偏
光板を用いた反射型表示装置では実現不可能な５０％以
上の高い反射率を示す明るい表示と、高いコントラスト
を有する優れた表示品位の反射型表示装置を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の反射型液晶表示装置
を説明する概略断面図である。

【図２】第１の実施形態の別の反射型液晶表示装置を説
明する概略断面図である。

【図３】本発明の反射型表示装置の原理を説明するため
の概略断面図である。

【図４】本発明の第２の実施形態の反射型表示装置を説
明する概略断面図である。

【図５】従来の反射型液晶表示装置を説明する概略断面
図である。

【符号の説明】

１０、３０反射型液晶表示装置１１、２１、３１吸光性基板１２、３２電極１３、４３液晶層１４、２４ＩＴＯ透明電極１５、２５、３５透光性基板１６拡散板１７、２７、３４プリズム１８シール２２空隙２３充填材料３３黒色吸光層３６拡散フィルム３７凹凸面３８光学噛み合わせ層３９形状変形素子９０反射型液晶表示装置９１反射板９２液晶表示装置９３基板９４偏光板９５液晶層９６透明電極９７シール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透光性の基板と、その背面側に配設さ
れた凹凸表面を有するプリズムと、前記透光性基板と対
向するように該基板背面側に配設した電極を備える対向
基板と、両基板間に挟持された媒体とを備えた反射型の
表示装置であって、前記媒体は、前記プリズム凹凸表面と接触する媒体の状
態が、前記プリズムの屈折率と略等しい屈折率となる一
方の状態の媒体と、前記プリズムの屈折率よりも大きな
屈折率を示す他方の状態の媒体の少なくとも２つの屈折
率の異なる媒体に、電気的信号により変更することが可
能であり、前記一方の状態の媒体の場合には、前記プリズムと媒体
との界面における前記透光性基板側からの入射光の反射
が低減され、前記他方の状態の媒体の場合には、前記プ
リズムと媒体との界面における前記透光性基板側からの
入射光の多くが全反射するように、前記プリズムの凹凸
表面が形成されていることを特徴とする、反射型表示装
置。
【請求項２】前記媒体が、屈折率異方性を示す液晶
層であることを特徴とする、請求項１に記載の反射型液
晶表示装置。
【請求項３】前記液晶層がΔｎが０．４以上の液晶
材料であることを特徴とする、請求項２に記載の反射型
液晶表示装置。
【請求項４】前記媒体は、気体の媒体と有機材料の
媒体の少なくとも２つの状態の媒体を有するものであっ
て、前記プリズム凹凸表面と接触する媒体の状態を物理
的な移動により切り換える移動手段を備えており、前記有機材料は、プリズムの屈折率とほぼ等しい屈折率
であることを特徴とする、請求項１に記載の反射型表示
装置。
【請求項５】前記移動手段が圧電素子であり、該素
子上に前記プリズムの凹凸表面と噛み合う形状とした有
機材料が配設してあることを特徴とする、請求項４に記
載の反射型表示装置。
【請求項６】前記媒体の背面側には、吸光材料が設
置されていることを特徴とする、請求項１から請求項５
の何れかに記載の反射型表示装置。