JP2003195288A - 半透過型の液晶表示装置 - Google Patents

半透過型の液晶表示装置

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JP2003195288A
JP2003195288A JP2001395474A JP2001395474A JP2003195288A JP 2003195288 A JP2003195288 A JP 2003195288A JP 2001395474 A JP2001395474 A JP 2001395474A JP 2001395474 A JP2001395474 A JP 2001395474A JP 2003195288 A JP2003195288 A JP 2003195288A
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transparent substrate
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light
polarized light
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Yoshinori Higuchi
義則 樋口
Yuzo Hisatake
雄三 久武
Atsuko Ono
敦子 大野
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】反射型および透過型のいずれで機能した場合も
十分な明るさとコントラスト特性を有した表示が可能な
液晶表示素子を提供することにある。 【解決手段】上側透明基板4aおよび下側透明基板4b
間に液晶層8を挟持した液晶セルと、液晶セルの背面に
対向配置されたバックライト2とを備えている。液晶セ
ルは、各透明基板の外面に設けられた円偏光と、円偏光
板を上側透明基板に貼付した光拡散層5と、下側透明基
板の内面上に設けられたコレステリック偏光反射層32
と、上側透明基板と液晶層との間に設けられ液晶層に印
加する電圧を画素毎に制御する液晶駆動層7と、上側透
明基板と液晶層との間に設けられたカラーフィルタ層1
0と、下側透明基板と円偏光板との間に設けられた視角
補償板11と、を有している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示装置に関
わり、特に、液晶セル内部に外光を反射する反射板を備
えているとともに液晶セル下側にバックライトを備えた
半透過型の液晶表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、液晶表示装置はノートパソコン、
モニター、カーナビゲーション、携帯電話、携帯型情報
端末、中小型TVなど様々な分野に応用されている。中
でも、反射型液晶表示装置は、バックライトが不要であ
ることから、低消費電力、且つ薄型軽量といった利点を
活かして携帯電話をはじめとする携帯機器用ディスプレ
イへの応用が広がっている。
【0003】しかしながら、反射型液晶表示装置は、紙
と同様に外光の反射のみを利用して画像や文字を表示す
るもので、使用環境が暗いと表示画面も暗くなり補助光
源なしには用いることができない。特に、暗闇では全く
利用することができない。
【0004】補助光源としては、液晶表示素子(液晶セ
ル)の上に配置するフロントライトが一般的に用いられ
ているが、フロントライトは、その原理から散乱機能を
有する導光板を通して表示画像を見ることになる。その
ため、導光板散乱による画質低下と光利用効率の低さ、
無効光の放射、表示面の奥行き感などが問題となる。
【0005】こうした問題に対して、暗い環境では透過
型液晶表示装置としても利用できるように、反射板を半
透過反射板、即ちハーフミラーとし、バックライトも併
設した方式や、一つの画素を透過部分と反射部分に分割
した半透過型液晶表示装置も実用化されている。
【0006】このような従来の半透過型液晶表示装置
は、例えば、透過型液晶セルとバックライトとの間にハ
ーフミラーと、セル下側に配置されたバックライトとを
備えている。バックライトからの出射光は、ハーフミラ
ーの作用により一部透過して液晶セルを照明する。ま
た、外部から液晶セルに入射した光は、ハーフミラーに
より一部反射されて液晶セルの照明光となる。この場
合、一般に、ハーフミラーとしてアルミニウムの薄い金
属蒸着膜が用いられる。アルミニウム薄膜は、その膜厚
が概略1000オングストローム以下であればハーフミ
ラーとして作用することが知られている。
【0007】また、他の半透過型液晶表示装置によれ
ば、液晶セルの内部にハーフミラーが配置されている。
すなわち、液晶に電界を印加するための下側電極として
通常用いられるITOなどの透明電極に代えて、例えば
アルミニウムのような薄い金属薄膜からなるハーフミラ
ーを用いている。同時に、液晶セル上下の偏光板をλ/
4板とし、セル内部に挟持された液晶層を透過する光に
与えられる最大の位相差がλ/4となるように構成され
ている。
【0008】この液晶表示装置によれば、透過光および
反射光のいずれでも同様の画像を表示することができ
る。また、透過と反射の比率は、用いる金属薄膜の膜厚
によって制御することができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、半透過
型液晶表示装置は明るい環境下では反射型として動作
し、暗い環境下かでは内蔵されたバックライトの照明に
よって透過型として動作するため、どのような明るさの
環境下でも画像表示に用いることができる。
【0010】しかしながら、反射板としてハーフミラー
を用いた液晶表示装置では、バックライトの光および外
部からの入射光は、いずれも反射光、透過光に分割して
表示に利用されるため、光の利用効率が低下する。ま
た、金属薄膜をハーフミラーとして用いた場合、金属に
よる光の吸収が避けられず、光の利用効率が一層低下し
てしまう。従って、上述した半透過型液晶表示装置は、
反射型として使用する場合および透過型として使用する
場合のいずれにおいても、純粋の透過型液晶表示装置あ
るいは反射型液晶表示装置と比較して暗い表示しか得る
ことができない。
【0011】この発明は以上の点に鑑みなされたもの
で、その目的は、明るい場所および暗い場所のいずれで
も、明るくコントラストの高い鮮明な画像表示が可能な
半透過型の液晶表示装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明に係る半透過型の液晶表示装置は、対向配
置された上側透明基板および下側透明基板、および上記
上側透明基板と下側透明基板との間に挟持され、印加電
圧に応じて入射光の位相を変調する液晶層を有した液晶
セルと、上記下側透明基板に対向して設けられ上記液晶
セルに向けて光を出射するバックライトと、を備えてい
る。
【0013】上記液晶セルは、上記上側透明基板の外面
および下側透明基板の外面にそれぞれ設けられ、入射し
た直線偏光の光を円偏光の光として出射させる円偏光板
と、上記上側透明基板と上記円偏光板との間に設けら
れ、上記円偏光板を上側透明基板に貼付した光拡散層
と、上記下側透明基板と液晶層との間に設けられ、入射
する光の右円偏光あるいは左円偏光を選択的に反射する
コレステリック偏光反射層と、上記上側透明基板と液晶
層との間に設けられ、上記液晶層に印加する電圧を画素
毎に制御する液晶駆動層と、上記上側透明基板と液晶層
との間に設けられたカラーフィルタ層と、上記下側透明
基板と円偏光板との間に設けられ、コレステリック偏光
反射層の負の光学位相差をうち消す正の光学位相差を有
した視角補償板と、を備えている。
【0014】上記半透過型の液晶表示素子によれば、コ
レステリック偏光反射層は、入射する光の右円偏光ある
いは左円偏光を任意の比率で透過/反射する光学特性を
有している。また、液晶層は印加電圧により、透過する
光に0〜λ/2の位相差を与えるような屈折率差と光路
長を有して構成されている。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、この
発明の実施の形態に係る半透過型の液晶表示装置につい
て詳細に説明する。図1に示すように、この液晶表示装
置は、対向配置された上側透明基板4aおよび下側透明
基板4bの間に液晶層8を挟持して形成された液晶セル
と、液晶セルの背面側に対向配置されたバックライト2
と、を備えている。上側透明基板4aおよび下側透明基
板4bは、例えば、0.7mm厚のガラスにより構成さ
れている。そして、上側透明基板4aおよび下側透明基
板4bは、図示しないシール材により周縁部同士が互い
に貼り合わされている。
【0016】液晶セルの観察側、つまり、上側透明基板
4aの外面上には、λ/4波長板3a、および偏光板1
aが順に設けられている。λ/4波長板3aおよび偏光
板1aは、合わせて円偏光特性を有する円偏光板を構成
している。すなわち、偏光板1aの吸収軸とλ/4波長
板3aの光軸とが45°の角度をなし、且つλ/4波長
板の与える光学的位相差(リタデーション)がλ/4と
なるようにその光学パラメータを選択することにより、
円偏光板を透過した直線偏光の光は特定方向の円偏光
(ここでは右円偏光とする)の光となる。
【0017】λ/4波長板3aと偏光板1aとは図示し
ない接着層によって貼り合わされ、λ/4波長板3aは
拡散層5によって上側透明基板4aの外面に貼付されて
いる。拡散層5は、光学的に均一な通常の接着剤に屈折
率の異なる樹脂の微粒子を均等に混入させることで得ら
れる。
【0018】また、他方の下側透明基板4bの外面に
は、視角補償板11、λ/4波長板3b、偏光板1bが
順に設けられている。視角補償板11は、後述するコレ
ステリック偏光反射層32と逆の正の位相差を有し、液
晶分子を面の法線方向に配列させたまま固定した液晶ポ
リマーフィルムや複屈折を有するポリカーボネイト等の
高分子フィルムを積層することで得られる。
【0019】λ/4波長板3bおよび偏光板1bは、合
わせて左円偏光特性を有する左円偏光板を構成してい
る。そして、λ/4波長板3bおよび偏光板1bは図示
しない接着層により視角補償板11に貼付されている。
【0020】液晶セルの上側透明基板4aはアレイ基板
を構成し、この上側透明基板の内面には、アンダーコー
ト層6に重ねてアクティブマトリクス型の液晶駆動層7
およびカラーフィルタ層10が設けられている。液晶駆
動層7は、アンダーコート層6上に形成されたゲート酸
化膜12、マトリクス状に延びた多数の信号線14およ
びゲート電極15を含む多数の信号線、層間絶縁膜1
6、信号線と走査線との各交差部に設けられたTFT
(薄膜トランジスタ)18を備えている。TFT18
は、信号線14に接続されたソース領域20、後述する
画素電極に接続されたドレイン領域21、チャネル領域
22を有している。
【0021】更に、層間絶縁膜16およびTFT18に
重ねて保護膜23が形成され、この保護膜に重ねてカラ
ーフィルタ層10が形成されている。また、液晶駆動層
7は、カラーフィルタ層10に重ねてマトリックス状に
設けられた多数の画素電極24を有している。画素電極
24は、透明なITOにより形成され、それぞれ液晶セ
ルの画素を構成しているとともに、カラーフィルタ層1
0に形成された10μm角程度のコンタクトホールを介
してTFT18のドレイン領域21に接続されている。
各画素電極24上には、液晶配向膜25が形成されてい
る。
【0022】カラーフィルタ層10は、画素部の全面に
配置されている。このカラーフィルタ層10は、赤、
緑、青の3原色もしくはイエロー、マジェンタ、シアン
の補色3原色のカラーフィルタ層でなり、マトリクス状
に配置された画素電極24、および後述する対向電極3
4により液晶層8を画素単位で電界制御することにより
加法混色によるカラー表示を行う。
【0023】一方、液晶セルの下側透明基板4bは対向
基板を構成している。下側透明基板4bの液晶セル内側
の面、つまり、内面には、コレステリック配向膜30、
コレステリック偏光反射層32、IT0等の透明導電膜
からなる対向電極34、および液晶配向膜36がほぼ全
面に亘って積層形成されている。
【0024】入射する光の右円偏光あるいは左円偏光を
選択的に反射するコレステリック偏光反射層32は、層
内で螺旋ピッチが連続的に変化するコレステリック液晶
ポリマー層によって形成されている。具体的には、紫外
線領域の光を選択反射する螺旋ピッチのコレステリック
液晶ポリマー層と、赤外線紫外線領域の光を選択反射す
る螺旋ピッチのコレステリック液晶ポリマー層とを連続
形成することにより、界面のインターラクション効果に
よってコレステリック偏光反射層32が得られる。な
お、コレステリック偏光反射層32は、反射中心波長の
異なる狭帯域の等螺旋ピッチコレステリック液晶ポリマ
ーを複数積層しても得ることができる。
【0025】下側透明基板4bの背面側に設けられたバ
ックライト2は、例えばアクリル等の透光な平板からな
る導光体38、導光体の側面に配置された線状光源4
0、導光体の裏面に設けられた散乱反射層42等を備え
て構成されている。
【0026】更に、下側透明基板4bの背面とバックラ
イト2との間には、特定方向の直線偏光光を透過し、こ
れと直交する偏光方向の光を反射する直線偏光反射シー
ト44を配置されている。
【0027】次に、上記のように構成された半透過型液
晶表示装置の表示原理について説明する。まず、透過型
液晶表示装置として機能する際の表示原理を説明する。
図2に模式的に示すように、バックライト2から出射し
た光は、液晶セル下側に設けられた偏光板1aおよびλ
/4波長板3bを通り、左円偏光となる。コレステリッ
ク偏光反射層32の左円偏光の光に対する反射率および
透過率をそれぞれ70%、30%と仮定すると、偏光板
1aおよびλ/4波長板3bを透過した左円偏光の光
は、コレステリック偏光反射層32により70%が反射
され、30%が透過する。反射及び透過する光の偏光状
態は左円偏光のままである。
【0028】この時、反射された光は逆に偏光板1aお
よびλ/4波長板3bを透過し、バックライト2の散乱
反射層42で反射された後、再び液晶セルに入射する。
バックライト2による光の吸収がないとすれば、上記の
過程を繰り返すことにより、最終的にはバックライト2
から出た光の約50%がコレステリック偏光反射層32
を透過することとなる。
【0029】液晶層8としては、例えば電界が印加され
ていない状態で、液晶分子が透明基板に対し垂直(基板
法線方向)に配列し、電界が印加されると透明基板に平
行な方向に配列するVAモードと呼ばれる垂直配向ホモ
ジニアス液晶層が適用されている。このモードでは、電
界が印加されていない画素を透過する光は、液晶層8に
よる変調(位相差)を受けることなくそのまま透過す
る。また、電界が印可され画素を透過する光は、液晶分
子の持つ複屈折によって変調(位相差)を与えられて透
過する。
【0030】上側透明基板4aの外面に設けられたλ/
4波長板3aおよび偏光板1aは、下側透明基板4b側
のλ/4波長板3bおよび偏光板1bと光軸角度が同じ
大きさで向きが逆に構成されている。そのため、電界が
印加されていない画素に入射し変調されることなく透過
した光は、偏光板1aで吸収され、黒表示となるまた、
液晶層8に電圧がかけられている画素に入射した光は、
電圧に応じて液晶が倒れてリタデーションを示すことに
なり、入射光の偏光状態が変調される。そのため、上側
透明基板4aのλ/4波長板3aおよび偏光板1aで完
全には吸収されず、液晶セルの外部に出射し白表示とな
る。すなわち、リタデーションがちょうどλ/2となっ
たところで、入射した左円偏光の光は右円偏光光とな
り、偏光板1aによって吸収されることなく液晶セル外
部に出射され、透過したカラーフィルタ層10に応じた
色となって、使用者に認識される。
【0031】次に、反射型液晶表示装置として機能する
際の表示原理を説明する。図3に模式的に示すように、
液晶セルに外部から入射した光は、偏光板1aおよびλ
/4波長板3aを透過して、右円偏光の光となる。液晶
層8に電圧が印加されていない画素に入射した光は、位
相の変調を受けずそのままコレステリック偏光反射層3
2に入射する。コレステリック偏光反射層32では、右
円偏光の光は反射されることなく透過し、下側透明基板
4bの円偏光板を構成する偏光板1bによって吸収され
るため、黒表示となる。
【0032】一方、液晶層8に電圧が印加されている画
素に入射した光は、電圧の大きさに応じたリタデーショ
ンを受けて左円偏光の光に変調され、コレステリック偏
光反射層32で70%が反射される。そして、反射光は
再び液晶層8で変調されて右円偏光の光となり、上側透
明基板4aのλ/4波長板3aおよび偏光板1aを透過
して液晶セル外部に出射される。すなわち、リタデーシ
ョンがちょうどλ/2となった時には、入射した右円偏
光の光が液晶層8を透過することにより完全に左円偏光
の光となり、そのうち70%がコレステリック偏光反射
層32で反射されるため、明るい表示となる。
【0033】液晶セルに内蔵されたコレステリック偏光
反射層32は、その界面が平滑であることからほとんど
正反射の光学特性を有している。このことは、光源から
の反射光をあたかも鏡を覗き込むようにして見ないと画
像が見えないということであり、反射型液晶表示装置と
しては不都合となる。
【0034】液晶セル上面に配置された拡散層5は、こ
れを改善するもので、外部から液晶セルに入射する光
と、液晶セルから外部に出射する光とを拡散することに
より、表示装置としての視野角を広げることができる。
また、λ/4波長板3aを上側透明基板4aに貼付する
ための接着層を拡散層5で兼ねることにより、独立した
拡散層を設ける必要がなく、液晶セル全体の厚さ低減に
寄与することができる。
【0035】なお、拡散層5は、上側透明基板4aの外
面のみでなく、例えば、カラーフィルタ層10やコレス
テリック偏光反射層32のオーバコート層として液晶セ
ル内に配置しても良い。この場合、上記と同様の視野角
拡大効果が得られるのみならず、画素と拡散層5との間
の距離によって生ずる滲み防止を防止することができ
る。
【0036】また、コレステリック液晶ポリマー層で形
成されたコレステリック偏光反射層32は、上側から入
射した光、および下側から入射した光ともに左右の円偏
光に分離し、透過、反射する。そのため、液晶層8をλ
/2位相差とすれば(例えば、90度TN)、位相差の
制御を0〜λ/2とすることにより、円偏光の位相を0
〜λ/2ずらすことができ、左右の円偏光をスイッチン
グすることできる。そして、上側透明基板4a上にλ/
4波長板3aおよび偏光板1aを配置し、液晶表示装置
が反射型として機能する場合、および透過型として機能
する場合のいずれも、円偏光を液晶層8に入射させるこ
とにより光の損失が生じない。
【0037】コレステリック偏光反射層32を液晶セル
の内側、つまり、下側透明基板4bの内面上に設けた場
合、ガラス板からなる下側透明基板のパララックスによ
る影響を無くすことが可能となる。
【0038】コレステリック偏光反射層32はその構造
上、面の法線方向に大きな負の光学位相差を有してい
る。そのため、コレステリック偏光反射層32を法線方
向に沿って透過した光と、法線にある角度をもって透過
した光とでは位相差が生じる。言い換えると、コレステ
リック偏光反射層32に入射する光の偏光方向が入射角
によって変化することとなる。これは表示画面を見る角
度(視野角)によって表示が変化することを意味してい
る。
【0039】そこで、本実施の形態によれば、コレステ
リック偏光反射層32と逆の正の位相差を有する視角補
償板11をコレステリック偏光反射層とバックライト2
との間に配置し、上記のような位相差による視野角の変
動を補償している。
【0040】一方、外部から液晶セルに入射する入射光
は、上側円偏光板の最上面、つまり、偏光板1aに入射
することになるが、この場合、円偏光板と空気界面との
屈折率差により反射光が発生する。この反射光は、特
に、液晶表示装置を反射型として使用する場合に雑音と
なり、表示画像のコントラストを低下させる。
【0041】このようなコントラスト低下を防止するた
めには、上側円偏光板の最上面と空気との界面に無反射
コートを設ければよい。あるいは、界面に微小凹凸を設
けることによって拡散機能を持たせることにより、反射
モードにおける視野角拡大の効果も合わせて得ることが
できる。
【0042】図2および図4に示すように、液晶セルと
バックライト2との間に直線偏光反射シート44を配置
することにより、バックライト2からの出射光の光利用
効率を一層向上させることができる。すなわち、直線偏
光反射シート44は、入射する非偏光の光のうち、特定
方向の直線偏光の光を透過させ、これと直交する偏光方
向の光を反射する。同時に、液晶セル内部に入射し、コ
レステリック偏光反射層32で反射された光をバックラ
イト2に向かって透過し、この光も表示に再利用するこ
とにより、光の利用効率を向上させる。本実施の形態に
おいて、直線偏光反射シート44は、その出射光の偏光
方向と下側透明基板4b上の偏光板1bの吸収軸とが4
5゜の角度をなすように配置されている。
【0043】以上のように構成された半透過型の液晶表
示装置によれば、反射型および透過型のいずれで用いた
場合でも、バックライト2からの出射光あるいは外光を
効率良く利用し、明るくコントラストの高い画像を表示
することができる。
【0044】なお、この発明は上述した実施の形態に限
定されることなく、この発明の範囲内で種々変形可能で
ある。例えば、上述した実施の形態における液晶駆動層
では、p−Siを利用したTFTを用いたが、液晶層を
駆動するための駆動素子として、MIM等の2端子素
子、あるいは、a−Siを利用した素子を用いてもよ
い。
【0045】
【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれ
ば、高い透過率と高い反射率とを両立し、反射型および
透過型のいずれとして使用した場合も、明るくコントラ
ストの高い表示が可能な半透過型の液晶表示装置を提供
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態に係る半透過型のカラー
液晶表示装置を示す断面図。
【図2】上記カラー液晶表示装置の透過表示の原理を模
式的に示す図。
【図3】上記カラー液晶表示装置の反射表示の原理を模
式的に示す図。
【図4】直線偏光反射シートを備えた上記カラー液晶表
示装置の表示原理を模式的に示す図。
【符号の説明】
1a、1b…λ/4波長板 2…バックライト 3a、3b…偏光板 4a…上側透明基板 4b…下側透明基板 5…拡散層 7…液晶駆動層 8…液晶層 10…カラーフィルタ層 11…視角補償板 18…TFT 32…コレステリック偏光反射層 44…直線偏光反射シート
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G02F 1/13363 G02F 1/13363 G09F 9/00 324 G09F 9/00 324 9/35 9/35 (72)発明者 大野 敦子 埼玉県深谷市幡羅町一丁目9番地2 株式 会社東芝深谷工場内 Fターム(参考) 2H042 BA02 BA12 BA20 2H049 BA03 BA06 BA42 BA43 BB03 BB42 BB62 BC22 2H091 FA02Y FA07Z FA08X FA08Z FA11Z FA15Y FA31X FA41Z FB02 FD06 FD10 FD15 FD23 FD24 GA03 LA13 LA17 5C094 AA06 AA10 BA02 BA43 CA19 DA13 ED11 ED14 ED15 HA08 5G435 AA02 AA03 BB12 BB15 BB16 CC09 DD13 EE26 FF03 FF05 FF06 FF15 GG09 LL04 LL06 LL07 LL08

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】対向配置された上側透明基板および下側透
    明基板、および上記上側透明基板と下側透明基板との間
    に挟持され、印加電圧に応じて入射光の位相を変調する
    液晶層を有した液晶セルと、 上記下側透明基板に対向して設けられ上記液晶セルに向
    けて光を出射するバックライトと、を備え、 上記液晶セルは、 上記上側透明基板の外面および下側透明基板の外面にそ
    れぞれ設けられ、入射した直線偏光の光を円偏光の光と
    して出射させる円偏光板と、 上記上側透明基板と上記円偏光板との間に設けられ、上
    記円偏光板を上側透明基板に貼付した光拡散層と、 上記下側透明基板と液晶層との間に設けられ、入射する
    光の右円偏光あるいは左円偏光を選択的に反射するコレ
    ステリック偏光反射層と、 上記上側透明基板と液晶層との間に設けられ、上記液晶
    層に印加する電圧を画素毎に制御する液晶駆動層と、 上記上側透明基板と液晶層との間に設けられたカラーフ
    ィルタ層と、 上記下側透明基板と円偏光板との間に設けられ、コレス
    テリック偏光反射層の負の光学位相差をうち消す正の光
    学位相差を有した視角補償板と、 を備えた半透過型の液晶表示装置。
  2. 【請求項2】上記液晶セルとバックライトの間に、特定
    方向の直線偏光の光を透過し、これと直交する偏光方向
    の光を反射する直線偏光反射シートが配置されている請
    求項1に記載の半透過型の液晶表示装置。
  3. 【請求項3】上記直線偏光反射シートは、その透過光が
    上記下側透明基板に設けられた円偏光板を透過する光軸
    配置を有している請求項2に記載の半透過型の液晶表示
    装置。
  4. 【請求項4】上記視角補償板は、液晶分子を視角補償板
    の法線方向に並べた状態で固定した液晶ポリマーで形成
    されている請求項1に記載の半透過型の液晶表示装置。
  5. 【請求項5】上記視角補償板は、複屈折を有する高分子
    フィルムを積層して形成されている請求項1に記載の半
    透過型の液晶表示装置。
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