JP2004093669A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】明るく、しかも広い視野角にわたって、高コントラストで帯色もほとんど無い良好な表示を得ることができる反射型の液晶表示素子を提供する。
【解決手段】液晶分子がツイスト配向した液晶層８を有する液晶セル１の前側に１枚の偏光板１０を配置し、前記液晶セル１の液晶層８よりも後側に、前側からの入射光を反射させる反射膜１１を設けるとともに、前記液晶セル１の液晶分子のツイスト角を６５°〜７５°、Δｎｄの値を２００ｎｍ〜３２０ｎｍに設定し、前記液晶セル１と前記偏光板１０との間に、前記偏光板１０を透過して入射した光を円偏光にして出射する位相差板１２を配置した。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、反射型の液晶表示素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子としては、一般に、表示の観察面側である前側の基板とこの前側基板に対向する後側基板との互いに対向する面にそれぞれ電極が設けられ、これらの基板間に液晶分子が実質的に９０°のツイスト角でツイスト配向した液晶層が設けられた液晶セルを備えたＴＮ（ツイステッドネマティック）方式のものが利用されている。
【０００３】
この液晶表示素子には、その使用環境の光である外光を利用する反射表示を行なう反射型のものと、バックライトからの照明光を利用する透過表示を行なう透過型のものとがある。
【０００４】
さらに、前記反射型の液晶表示素子には、前記液晶セルを挟んでその前側と後側とに偏光板を配置し、前記後側の偏光板の後側に反射手段を設けた構成のものと、前記液晶セルの前側だけに偏光板を配置し、前記液晶セルの液晶層よりも後側に反射手段を設けた構成のものとがある。
【０００５】
これらの反射型液晶表示素子を比較すると、前記液晶セルを挟んでその前側と後側とに偏光板を配置し、前記後側の偏光板の後側に反射手段を設けたものは、その前側から入射し、前記反射手段により反射されて前側に出射する光が、その過程で、前記液晶セルの前側に配置された偏光板と、前記液晶セルの後側に配置された偏光板とをそれぞれ２回ずつ通るため、偏光板による光の吸収が多く、明るい表示が得られない。
【０００６】
一方、前記液晶セルの前側だけに偏光板を配置し、前記液晶セルの液晶層よりも後側に反射手段を設けた反射型液晶表示素子は、その前側から入射し、前記反射手段により反射されて前側に出射する光に対する偏光板による光の吸収が、前記液晶セルの前側に配置された偏光板による吸収だけであるため、偏光板による光の吸収が少なく、したがって、明るい表示が得られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、液晶分子が実質的に９０°のツイスト角でツイスト配向した液晶層を有する液晶セルの前側に偏光板を配置し、前記液晶セルの液晶層よりも後側に反射手段を設けた構成の反射型液晶表示素子は、視野角によってコントラストが大きく変化し、しかも表示に帯色を生じるという問題をもっている。
【０００８】
この発明は、明るく、しかも広い視野角にわたって、高コントラストで帯色もほとんど無い良好な表示を得ることができる反射型の液晶表示素子を提供することを目的としたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の液晶表示素子は、表示の観察面側である前側の基板とこの前側基板に対向する後側基板との互いに対向する面にそれぞれ電極が設けられ、これらの基板間に液晶分子がツイスト配向した液晶層が設けられるとともに、前記液晶分子のツイスト角が６５°〜７５°、液晶の屈折率異方性Δｎと液晶層厚ｄとの積Δｎｄの値が２００ｎｍ〜３２０ｎｍに設定された液晶セルと、前記液晶セルの前側に配置された偏光板と、前記液晶セルの液晶層よりも後側に設けられ、前側からの入射光を反射させる反射手段と、前記液晶セルと前記偏光板との間に配置され、前記偏光板を透過した入射した光を円偏光にして出射する位相差素子とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
この液晶表示素子は、その使用環境の光である外光を利用する反射表示を行なうものであり、表示の観察面側である前側から入射し、前記偏光板と位相差素子と液晶セルの液晶層とを透過した光を前記反射手段により反射し、その反射光を前側に出射させて表示する。
【００１１】
この液晶表示素子は、その前側から入射し、前記反射手段により反射されて前側に出射する光に対する偏光板による光の吸収が、前記液晶セルの前側に配置された偏光板による吸収だけであるため、偏光板による光の吸収が少なく、したがって、明るい表示が得られる。
【００１２】
また、この液晶表示素子は、前記液晶セルと前記偏光板との間に位相差素子を配置しているため、前側から入射した光が、前記偏光板により直線偏光光とされ、さらに前記位相差素子により偏光状態を変えられて前記液晶セルに入射する。
【００１３】
一方、前記液晶セルの液晶層の液晶分子は、前後の基板の電極間に電界を印加しない無電界時は前記基板面に対して最も倒伏した初期のツイスト配向状態にあり、前記電極間に印加される電界に応じて前記基板面に対して立ち上がるように配向状態を変え、この液晶分子の配向状態の変化に応じて前記液晶層のリタデーションが変化する。
【００１４】
そのため、前記偏光板により直線偏光光とされ、前記位相差素子により偏光状態を変えられて前記液晶セルに入射した光は、前記液晶層を透過して反射手段により反射され、前記液晶層を再び透過して液晶セルの前側に出射する間、つまり前記液晶層を往復して透過する間に、この液晶層の液晶分子の配向状態に応じて偏光状態を変え、さらに前記位相差素子により偏光状態を変えられて前記偏光板にその後側から入射し、その反射光のうち、前記偏光板を透過する直線偏光成分の光が前側に出射する。
【００１５】
そして、この液晶表示素子では、前記液晶セルの液晶分子のツイスト角を６５°〜７５°、Δｎｄの値を２００ｎｍ〜３２０ｎｍに設定するとともに、前記液晶セルと前記偏光板との間に、前記偏光板を透過して入射した光を円偏光にして出射する位相差素子を配置しているため、前記液晶セルの電極間に電界を印加しない無電界時、つまり液晶分子が基板面に対して最も倒伏した初期のツイスト配向状態にあるときは、前側から前記偏光板を透過して入射し、前記位相差素子と液晶セルの液晶層を透過して前記反射手段により反射され、前記液晶層と位相差素子とを再び透過した光が、前記偏光板を透過する偏光成分の多い偏光状態の光となって前記偏光板にその後側から入射する。
【００１６】
したがって、このときは、前記反射手段により反射された反射光のほとんどが前記偏光板を透過して前側に出射し、充分な明るさの明表示が得られる。
【００１７】
この液晶表示素子の表示の明るさは、前記液晶セルの電極間への電界の印加により液晶分子が基板面に対して立ち上がるように配向状態を変えるのにともなって変化する。
【００１８】
そして、前記液晶セルの液晶分子が基板面に対して実質的に垂直に立ち上がり配向し、液晶層のリタデーションがほとんど無くなると、前側から前記偏光板を透過して入射し、前記位相差素子と液晶セルの液晶層を透過して前記反射手段により反射され、前記液晶層と位相差素子とを再び透過した光が、前記偏光板により吸収される偏光成分の多い偏光状態の光となって前記偏光板にその後側から入射する。
【００１９】
したがって、このときは、前記反射手段により反射された反射光のほとんどが前記偏光板により吸収され、充分な暗さの暗表示が得られる。
【００２０】
すなわち、この液晶表示素子は、無電界時の表示が明表示であるノーマリーホワイトモードのものであり、上述したように、前記液晶セルの液晶分子が基板面に対して最も倒伏した初期のツイスト配向状態にあるときの表示が充分な明るさの明表示、前記液晶分子が基板面に対して実質的に垂直に立ち上がり配向したときの表示が充分な暗さの暗表示であるため、高いコントラストが得られる。
【００２１】
さらに、この液晶表示素子では、前記液晶セルの液晶分子のツイスト角を６５°〜７５°としているため、広い視野角にわたって、コントラストが高く、しかも可視光帯域の各波長光の出射強度の差による帯色の無い表示が観察される。
【００２２】
このように、この発明の液晶表示素子は、液晶分子がツイスト配向した液晶層を有する液晶セルの前側に偏光板を配置し、前記液晶セルの液晶層よりも後側に、前側からの入射光を反射させる反射手段を設けるとともに、前記液晶セルの液晶分子のツイスト角を６５°〜７５°、Δｎｄの値を２００ｎｍ〜３２０ｎｍに設定し、前記液晶セルと前記偏光板との間に、前記偏光板を透過して入射した光を円偏光にして出射する位相差素子を配置することにより、明るく、しかも広い視野角にわたって、高コントラストで帯色もほとんど無い良好な表示を得ることができるようにしたものである。
【００２３】
この発明の液晶表示素子において、前記液晶セルの液晶分子のツイスト角は６５°〜７０°、Δｎｄの値は２５５ｎｍ〜２８０ｎｍであるのが好ましい。
【００２４】
また、前記位相差素子は、１４７．４ｎｍ〜１６９．８ｎｍのリタデーションを有する位相差板が好ましく、その場合は、前記偏光板を、その透過軸を前記液晶セルの前側基板の近傍における液晶分子配向方向に対して７６°〜８５°ずらして配置し、前記位相差板を、その遅相軸を前記偏光板の透過軸に対して実質的に４５°ずらして配置するのが好ましい。
【００２５】
さらに、前記位相差板は、可視光帯域の略全域の波長光に対して実質的に等しい位相差を与える広帯域位相差板が好ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１〜図４はこの発明の一実施例を示しており、図１は液晶表示素子の一部分の断面図である。
【００２７】
この実施例の液晶表示素子は、図１に示したように、液晶分子がツイスト配向した液晶層８を有する液晶セル１と、前記液晶セル１の表示の観察面側である前側に配置された１枚の偏光板１０と、前記液晶セル１の液晶層８よりも後側に設けられ、前側からの入射光を反射させる反射手段１１と、前記液晶セル１と前記偏光板１０との間に配置された位相差素子１２とを備えている。
【００２８】
前記液晶セル１は、表示の観察面側である前側の透明基板２と、この前側基板２に対向する後側の透明基板３との互いに対向する面にそれぞれ、互いに対向する領域により複数の画素部を形成する透明電極４，５と、前記電極電極４，５を覆って形成された水平配向膜６，７とが設けられ、これらの基板２，３間に液晶層８が設けられたものであり、前記前側基板２と後側基板３は、その周縁部において図示しない枠状のシール材を介して接合され、液晶層８は、前記基板２，３間の前記シール材により囲まれた領域に誘電異方性が正のネマティック液晶を充填して形成されている。
【００２９】
なお、この液晶セル１は、単純マトリックス方式のものであり、前側基板２に設けられた電極４は、行方向（図１において左右方向）に沿わせて互いに平行に形成された複数の走査電極、後側基板３に設けられた電極５は、列方向（図１において紙面に垂直な方向）に沿わせて互いに平行に形成された複数の信号電極である。
【００３０】
そして、前記液晶層８の液晶分子は、前後の基板２，３に設けられた配向膜６，７によりそれぞれの基板２，３の近傍における配向方向を規定され、前記基板２，３面に対して２°〜３°の極く僅かなプレチルト角をもって倒伏した状態で、前記基板２，３間において６５°〜７５°のツイスト角でツイスト配向している。
【００３１】
さらに、この液晶セル１の液晶の屈折率異方性Δｎと液晶層厚ｄとの積Δｎｄの値は、可視光帯域の中間波長である５５０ｎｍの波長光に対して２００ｎｍ〜３２０ｎｍに設定されている。
【００３２】
この実施例では、前記電極４，５間に印加される電界に対する液晶の応答速度を速くするために、前記液晶層厚ｄを３μｍ〜４μｍとし、液晶に、屈折率異方性（５５０ｎｍの波長光に対する値）Δｎが０．０５〜０．１０７の範囲の液晶物質を用いることにより、前記Δｎｄの値を２００ｎｍ〜３２０ｎｍにしている。
【００３３】
また、前記反射手段１１は、入射光をその入射角と同じ反射角で正反射する鏡面反射膜（例えばアルミニウム合金膜）であり、この実施例では、この反射手段（以下、反射膜と言う）１１を、前記液晶セル１の後側基板３の外面に貼り付けている。
【００３４】
一方、前記液晶セル１と偏光板１０との間に配置された位相差素子１２は、５５０ｎｍの波長光に対して１３７．５ｎｍ〜１６９．８ｎｍのリタデーションを有する位相差板である。なお、この実施例では、可視光帯域の略全域の波長光に対して実質的に等しい位相差を与える広帯域位相差板を用いている。以下、この位相差素子１２を位相差板と言う。
【００３５】
そして、前記偏光板１０は、その透過軸を前記液晶セル１の前側基板２の近傍における液晶分子配向方向に対して７６°〜８５°ずらして配置されており、前記位相差板１２は、その遅相軸を前記偏光板１０の透過軸に対して実質的に４５°ずらして配置されている。
【００３６】
図２は、前記液晶セル１の液晶分子配向方向と、前記偏光板１０の透過軸の向きと、前記位相差板１２の遅相軸の向きを示している。
【００３７】
図２のように、前記液晶セル１の前側基板２の近傍における液晶分子配向方向２ａは、例えば液晶表示素子の画面の横軸ｘに平行な方向、後側基板３の近傍における液晶分子配向方向３ａは、前記前側基板２の近傍における液晶分子配向方向２ａに対して前側から見て左回りに６５°〜７５°ずれた方向にあり、前記液晶層８の液晶分子は、そのツイスト方向を図に破線矢印で示したように、後側基板３から前側基板２に向かい、前側から見て右回りに６５°〜７５°のツイスト角でツイスト配向している。
【００３８】
そして、前記偏光板１０は、その透過軸１０ａを前記画面の横軸ｘに対して前側から見て左回りに７６°〜８５°の方向に向けて配置され、前記位相差板１２は、その遅相軸１２ａを前記画面の横軸ｘに対して前側から見て左回りに１２１°〜１３０°の方向に向けて配置されている。
【００３９】
すなわち、前記偏光板１０の透過軸１０ａは、前記液晶セル１の前側基板２の近傍における液晶分子配向方向２ａに対し、前側から見て、前記液晶セル１の液晶分子のツイスト方向とは逆方向に７６°〜８５°ずれており、前記位相差板１２の遅相軸１２ａは、前記偏光板１０の透過軸１０ａに対し、前記液晶セル１の前側基板２の近傍における液晶分子配向方向２ａに対する前記偏光板１０の透過軸１０ａのずれ方向と同じ方向に実質的に４５°ずれている。
【００４０】
この液晶表示素子は、その使用環境の光である外光を利用する反射表示を行なうものであり、図１に矢線で示したように表示の観察面側である前側から入射し、前記偏光板１０と位相差板１２と液晶セル１の液晶層８とを透過した光を前記液晶セル１の後側基板３の外面に設けられた反射膜１１により反射し、その反射光を前側に出射させて表示する。
【００４１】
この液晶表示素子は、その前側から入射し、前記反射膜１１により反射されて前側に出射する光に対する偏光板による光の吸収が、液晶セル１の前側に配置された１枚の偏光板１０による吸収だけであるため、偏光板による光の吸収が少なく、したがって、明るい表示が得られる。
【００４２】
また、この液晶表示素子は、前記液晶セル１とその前側に配置された偏光板１０との間に位相差板１２を配置しているため、前側から入射した外光（非偏光光）が、前記偏光板１０により直線偏光光とされ、さらに前記位相差板１２により偏光状態を変えられて前記液晶セル１に入射する。
【００４３】
すなわち、前側から入射した光は、前記偏光板１０によりその吸収軸（図示せず）に平行な偏光成分の光を吸収され、この偏光板１０の透過軸１０ａに平行な直線偏光光となって前記位相差板１２に入射し、この位相差板１２により常光と異常光との間に位相差を与えられ、偏光状態を変えて液晶セル１に入射する。
【００４４】
一方、前記液晶セル１の液晶層８の液晶分子は、前後の基板２，３の電極４，５間に電界を印加しない無電界時は基板２，３面に対して最も倒伏（２°〜３°のプレチルト角で倒伏）した初期のツイスト配向状態にあり、前後の基板２，３の電極４，５間に印加される電界に応じて、ツイスト配向状態を保ちながら基板２，３面に対して立ち上がるように配向状態を変え、この液晶分子の配向状態の変化に応じて前記液晶層８のリタデーションが変化する。
【００４５】
そのため、前記偏光板１０により直線偏光光とされ、前記位相差板１２により偏光状態を変えられて前記液晶セル１に入射した光は、前記液晶層８を透過して反射手段により反射され、前記液晶層８を再び透過して液晶セル１の前側に出射する間、つまり前記液晶層８を往復して透過する間に、この液晶層８の液晶分子の配向状態に応じて偏光状態を変え、さらに前記位相差板１２により偏光状態を変えられて前記偏光板１０にその後側から入射し、その反射光のうち、前記偏光板１０を透過する直線偏光成分の光が前側に出射する。
【００４６】
そして、この液晶表示素子では、前記液晶セル１の液晶分子のツイスト角を６５°〜７５°、Δｎｄの値を２００ｎｍ〜３２０ｎｍに設定するとともに、前記液晶セルと前記偏光板との間に、１３７．５ｎｍ〜１６９．８ｎｍのリタデーションを有し、前記偏光板１０を透過した直線偏光光を円偏光光とする位相差板１２を配置しているため、前記液晶セル１の電極４，５間に電界を印加しない無電界時、つまり液晶分子が基板２，３面に対して最も倒伏した初期のツイスト配向状態にあるときは、前側から前記偏光板１０を透過して入射し、前記位相差板１２と液晶セル１の液晶層８を透過して前記反射膜１１により反射され、前記液晶層８と位相差板１２とを再び透過した光が、前記偏光板１０を透過する偏光成分の多い偏光状態の光となって前記偏光板１０にその後側から入射する。
【００４７】
したがって、このときは、前記反射膜１１により反射された反射光のほとんどが前記偏光板１０を透過して前側に出射し、充分な明るさの（白表示）が得られる。
【００４８】
図３は、上記のような構成で、液晶セル１の液晶分子のツイスト角とΔｎｄとを様々な値に設定した複数の試験用液晶表示素子を製造し、これらの試験用液晶表示素子について、前記液晶セル１の液晶分子のツイスト角及びΔｎｄの値と、液晶セル１の電極４，５間に電界を印加しない無電界時における反射膜１１により反射されて偏光板１０に到達する光のうちの偏光板１０を透過する光の割合（以下、出射率という）との関係を測定した結果を示している。
【００４９】
なお、前記複数の試験用液晶表示素子は、いずれも、液晶セル１の初期のツイスト配向状態における液晶分子のプレチルト角を実質的に０°とするとともに、前記液晶セル１の前側基板２の近傍における液晶分子配向方向２ａと前記偏光板１０の透過軸１０ａとのずれ角を任意とし、さらに、前記位相差板１２を、５５０ｎｍの波長光に対して約１３７ｎｍのリタデーションを有するλ／４位相差板とし、この位相差板１２の遅相軸１２ａを前記偏光板１０の透過軸１０ａに対して４５°ずらすことにより、前記偏光板１０を透過した直線偏光光を円偏光光として液晶セル１に入射させるようにしたものである。
【００５０】
また、図３に示した反射光の出射率は、前記試験用液晶表示素子に対してその前面（偏光板１０の前面）の法線方向から光を入射させたときの前記法線方向に反射された光の出射率である。
【００５１】
図３のように、上記試験用液晶表示素子は、液晶セル１の液晶分子のツイスト角及びΔｎｄの値によって反射光の出射率が異なり、前記液晶分子のツイスト角が６５°〜７５°の範囲内、前記Δｎｄの値が２００ｎｍ〜３２０ｎｍの範囲内である液晶表示素子は、無電界時に、反射膜１１により反射された反射光が９８％以上の非常に高い出射率で前側に出射し、特に、液晶分子のツイスト角が６５°〜７０°、Δｎｄの値が２５５ｎｍ〜２８０ｎｍの液晶表示素子は、前記無電界時の反射光の出射率がより高い。
【００５２】
これは、無電界時は、反射膜１１により反射された反射光が、前側から偏光板１０を透過して入射した直線偏光光とほとんど変わらない偏光状態の光となって前記偏光板１０にその後側から入射するためであり、特に、液晶分子のツイスト角が６５°〜７０°の範囲内、Δｎｄの値が２５５ｎｍ〜２８０ｎｍの範囲内に設定された液晶表示素子は、前記反射膜１１により反射された反射光が、前側から偏光板１０を透過して入射した直線偏光光と実質的に同じ偏光状態の直線偏光光となって前記偏光板１０にその後側から入射し、略１００％の出射率で前側に出射する。
【００５３】
なお、前記試験用液晶表示素子は、前記液晶セル１の前側基板２の近傍における液晶分子配向方向２ａと前記偏光板１０の透過軸１０ａとのずれ角を８０°としたものであるが、そのずれ角が７６°〜８５°の範囲内であれば、前記液晶セル１の液晶分子のツイスト角を６５°〜７５°、Δｎｄの値を２００ｎｍ〜３２０ｎｍにすることにより、前記反射膜１１により反射された反射光を、前側から偏光板１０を透過して入射した直線偏光光とほとんど変わらない偏光状態の光にして前記偏光板１０にその後側から入射させ、その光のほとんどを前記偏光板１０の前側に出射させることができる。
【００５４】
また、前記試験用液晶表示素子は、上述したように、液晶セル１の液晶分子のプレチルト角を実質的に０°とし、偏光板１０を偏光度が実質的に１００％の高偏光度偏光板としたものであるが、印加電界に応じた液晶分子の配向変化（ツイスト配向と立ち上がり配向との間での変化）を良好に行なわせるためには、前記液晶分子を基板２，３面に対してプレチルトさせてツイスト配向させるのが望ましい。
【００５５】
このような試験用素子の特性の測定結果に基づき、この実施例の液晶表示素子では、前記液晶セル１の液晶分子を、基板２，３面に対して２°〜３°のプレチルト角をもたせてツイスト配向させている。なお、前記偏光板１０は、偏光度が９５％以上％の偏光板である。
【００５６】
この実施例の液晶表示素子は、前記液晶セル１の液晶分子のツイスト角を６５°〜７５°、Δｎｄの値を２００ｎｍ〜３２０ｎｍに設定しているため、前記反射膜１１により反射された反射光を前記偏光板１０を透過する偏光成分（偏光板１０の透過軸１０ａに平行な偏光成分）の多い偏光状態の光として前記偏光板１０にその後側から入射させ、前記無電界時の反射光の出射率を充分に高くし、充分な明るさの明表示を得ることができる。
【００５７】
ただし、この液晶表示素子において、前記位相差板１２は、前記λ／４位相差板に限らず、１３７．５ｎｍ（λ／４）〜１６９．８ｎｍの範囲のリタデーションを有するものであればよく、前記位相差板１２のリタデーションをこのような範囲にすることにより、充分な明るさの明表示を得ることができる。
【００５８】
この液晶表示素子において、前記位相差板１２のリタデーションは、上述した好適範囲の内でも１４７．４ｎｍ〜１６９．８ｎｍの範囲がより好ましく、前記位相差板１２のリタデーションをこのような値にし、前記液晶セル１の前側基板２の近傍における液晶分子配向方向２ａと前記偏光板１０の透過軸１０ａとのずれ角を、上述した７６°〜８５°の範囲にするとともに、前記偏光板１０の透過軸１０ａに対する前記位相差板１２の遅相軸１２ａのずれ角を実質的に４５°にすることにより、前記反射膜１１により反射された反射光を、前側から偏光板１０を透過して入射した直線偏光光とほとんど変わらない偏光状態の光にして前記偏光板１０にその後側から入射させ、その光のほとんどを前記偏光板１０の前側に出射させて、より明るい明表示を得ることができる。
【００５９】
この液晶表示素子において、前記液晶セル１の液晶分子のツイスト角は、より好ましくは６５°〜７０°の範囲、前記Δｎｄの値は、より好ましくは２５５ｎｍ〜２８０ｎｍの範囲であり、前記液晶セル１の液晶分子のツイスト角とΔｎｄの値をこのような範囲にすることにより、前記反射膜１１により反射された反射光を、前側から偏光板１０を透過して入射した直線偏光光により近い偏光状態の光として前記偏光板１０にその後側から入射させ、前記反射光の出射率をより高くして、さらに明るい明表示を得ることができる。
【００６０】
この液晶表示素子の表示の明るさは、前記液晶セル１の電極４，５間への電界の印加により液晶分子が基板２，３面に対して立ち上がるように配向状態を変えるのにともなって変化する。
【００６１】
そして、前記液晶セル１の液晶分子が基板２，３面に対して実質的に垂直に立ち上がり配向し、液晶層８のリタデーションがほとんど無くなると、前側から前記偏光板１０を透過して入射し、前記位相差板１２と液晶セル１の液晶層８を透過して前記反射膜１１により反射され、前記液晶層８と位相差板１２とを再び透過した光が、前記偏光板１０により吸収される偏光成分の多い偏光状態の光となって前記偏光板１０にその後側から入射する。
【００６２】
すなわち、この液晶表示素子において、前記位相差板１２が例えば１３７．５ｎｍのリタデーションを有するλ／４位相差板である場合は、前側から前記偏光板１０を透過して入射した直線偏光光が、前記位相差板１２により常光と異常光との間に１／４波長の位相差を与えられ、円偏光光となって前記液晶セル１に入射する。
【００６３】
そして、仮に、前記液晶セル１の液晶分子が基板２，３面に対して完全に垂直に立ち上がり配向し、液晶層８のリタデーションが０になるとすると、前記位相差板１２により円偏光光とされて液晶セル１に入射した光が、液晶層８を偏光状態を変えること無く透過して反射膜１１により反射され、回転方向が逆になった円偏光光となる。
【００６４】
この回転方向が逆になった円偏光光は、前記液晶層８を再び偏光状態を変えること無く透過し、前記位相差板１２により、前側から前記偏光板１０を透過して入射した直線偏光光に対して振動面が実質的に９０°ずれた直線偏光光、つまり前記偏光板１０の吸収軸に平行な直線偏光光とされて前記偏光板１０にその後側から入射する。
【００６５】
そのため、このときは、前記反射膜１１により反射された反射光のほとんどが前記偏光板１０により吸収され、暗表示（黒表示）が得られる。
【００６６】
なお、前記液晶セル１は高デューティで時分割駆動されるのに対し、液晶の応答性には限界があるため、前記電極４，５間に液晶分子を基板２，３面に対して実質的に垂直に立ち上がり配向させるべき電界（以下、ＯＮ電界と言う）を印加したときの液晶分子の立ち上がり配向状態は、基板２，３面に対して完全に垂直ではなく、垂直に近い角度で立ち上がった配向状態であり、したがって、液晶層８のリタデーションは完全には０にならず、ある程度のリタデーションが残留した状態にある。
【００６７】
そして、前記液晶層８にリタデーションが残留していると、前記位相差板１２により円偏光光とされて液晶セル１に入射した光が前記液晶層８の残留リタデーションにより偏光状態を変えるため、前記反射膜１１により反射された反射光が、円偏光とは異なる偏光光となって前記位相差板１２に再入射し、この位相差板１２により位相差を与えられ、前記偏光板１０の吸収軸に平行な偏光成分以外の偏光成分も含む偏光状態の光となって前記偏光板１０にその後側から入射する。
【００６８】
そのため、前記位相差板１２を１３７．５ｎｍのリタデーションを有するλ／４位相差板としたときは、ＯＮ電界印加時に、前記反射膜１１により反射された反射光の一部が前記偏光板１０を透過して前側に出射するが、上述したように前記液晶セル１の液晶分子のツイスト角を６５°〜７５°、Δｎｄの値を２００ｎｍ〜３２０ｎｍに設定することにより、前記反射光を前記偏光板１０により吸収される偏光成分（偏光板１０の吸収軸に平行な偏光成分）の多い偏光状態の光として前記偏光板１０にその後側から入射させ、前記ＯＮ電界印加時の反射光の出射率を充分に低くし、充分な暗さの暗表示を得ることができる。
【００６９】
ただし、この液晶表示素子において、前記位相差板１２は、前記λ／４位相差板に限らず、上述した１３７．５ｎｍ（λ／４）〜１６９．８ｎｍの範囲のリタデーションを有するものであればよく、前記位相差板１２のリタデーションをこのような範囲にすることにより、充分な暗さの暗表示を得ることができる。
【００７０】
この液晶表示素子において、前記位相差板１２のリタデーションは、上述したように、１４７．４ｎｍ〜１６９．８ｎｍの範囲が好ましく、前記位相差板１２のリタデーションをこのような値にし、前記液晶セル１の前側基板２の近傍における液晶分子配向方向２ａと前記偏光板１０の透過軸１０ａとのずれ角を、上述した７６°〜８５°の範囲にするとともに、前記偏光板１０の透過軸１０ａに対する前記位相差板１２の遅相軸１２ａのずれ角を実質的に４５°にすることにより、前記反射膜１１により反射された反射光を、前側から偏光板１０を透過して入射した直線偏光光に対して振動面が実質的に９０°ずれた直線偏光光（偏光板１０の吸収軸に平行な直線偏光光）とほとんど変わらない偏光状態の光にして前記偏光板１０にその後側から入射させ、その光のほとんどを前記偏光板１０により吸収させて、より暗い暗表示を得ることができる。
【００７１】
すなわち、前記液晶セル１の液晶分子のツイスト角を６５°〜７５°、Δｎｄの値を２００ｎｍ〜３２０ｎｍとし、前記位相差板１２のリタデーションを１４７．４ｎｍ〜１６９．８ｎｍの範囲、前記液晶セル１の前側基板２の近傍における液晶分子配向方向２ａと前記偏光板１０の透過軸１０ａとのずれ角を７６°〜８５°の範囲、前記偏光板１０の透過軸１０ａに対する前記位相差板１２の遅相軸１２ａのずれ角を実質的に４５°とすると、前記液晶セル１の電極４，５間に液晶分子を基板２，３面に対して実質的に垂直に立ち上がり配向させるＯＮ電界を印加したときに、偏光板１０により直線偏光光とされて入射した光が、前記位相差板１２と液晶層８の両方のリタデーションにより円偏光またはそれに近い偏光状態の光となって反射膜１１に入射し、この反射膜１１により反射されて回転方向が逆になった光が、前記液晶層８と位相差板１２の両方のリタデーションにより、前側から前記偏光板１０を透過して入射した直線偏光光に対して振動面が実質的に９０°ずれた直線偏光光またはそれに近い偏光状態の光となって前記偏光板１０にその後側から入射するため、前記反射膜１１により反射された反射光のほとんどを前記偏光板１０により吸収させ、より暗い暗表示を得ることができる。
【００７２】
また、この液晶表示素子において、前記液晶セル１の液晶分子のツイスト角は、上述したように、より好ましくは６５°〜７０°の範囲、前記Δｎｄの値は、より好ましくは２５５ｎｍ〜２８０ｎｍの範囲であり、前記液晶セル１の液晶分子のツイスト角とΔｎｄの値をこのような範囲にすることにより、前記反射膜１１により反射された反射光を、前側から偏光板１０を透過して入射した直線偏光光に対して振動面が実質的に９０°ずれた直線偏光光により近い偏光状態の光として前記偏光板１０にその後側から入射させ、前記反射光の出射率をより低くして、さらに暗い暗表示を得ることができる。
【００７３】
すなわち、この液晶表示素子は、無電界時の表示が明表示であるノーマリーホワイトモードのものであり、上述したように、前記液晶セル１の液晶分子が基板２，３面に対して最も倒伏した初期のツイスト配向状態にあるときの表示が充分な明るさの明表示、前記液晶分子が基板２，３面に対して実質的に垂直に立ち上がり配向したときの表示が充分な暗さの暗表示であるため、高いコントラストが得られる。
【００７４】
また、この液晶表示素子では、前記液晶セル１の液晶分子のツイスト角を６５°〜７５°としているため、広い視野角にわたって、コントラストが高く、しかも可視光帯域の各波長光の出射強度の差による帯色が略解消された表示が観察される。
【００７５】
さらに、この液晶表示素子では、前記位相差板１２を、可視光帯域の略全域の波長光に対して実質的に等しい位相差を与える広帯域位相差板としているため、より帯色の無い表示を広い視野角にわたって観察することができる。
【００７６】
図４は、前記液晶セル１のΔｎｄの値を２００ｎｍ〜３２０ｎｍ、前記位相差板１２のリタデーションを１４７．４ｎｍ〜１６９．８ｎｍ、前記液晶セル１の前側基板２の近傍における液晶分子配向方向２ａと前記偏光板１０の透過軸１０ａとのずれ角を７６°〜８５°、前記偏光板１０の透過軸１０ａに対する前記位相差板１２の遅相軸１２ａのずれ角を実質的に４５°とするとともに、前記位相差板１２を広帯域位相差板とした液晶表示素子について、前記液晶セル１の液晶分子のツイスト角を６０°、６５°、７０°、７５°、８０°の５通りに設定し、そのツイスト角と、赤、緑、青の各波長帯域の出射光Ｒ，Ｇ，Ｂの視野角範囲との関係を測定した結果を示しており、（ａ）は、液晶セル１の電極４，５間に電界を印加しない無電界時における液晶セル１の前側からの入射光に対する出射率が４０％よりも高い出射光Ｒ，Ｇ，Ｂの視野角範囲を示し、（ｂ）は、前記電極４，５間に液晶分子を基板２，３面に対して実質的に垂直に立ち上がり配向させるＯＮ電界を印加したときにおける前側からの入射光に対する出射率が０．４％未満の出射光Ｒ，Ｇ，Ｂの視野角範囲を示し、（ｃ）は、コントラスト（無電界時とＯＮ電界印加時の出射光の強度比）が１０よりも大きい出射光Ｒ，Ｇ，Ｂの視野角範囲を示している。
【００７７】
ここで、上述した夫々の視野角範囲とは、液晶表示素子の前面（偏光板１０の前面）を切断面とする半球面上の各点から、前記半球の中心から出射する赤、緑、青の各波長帯域の出射光Ｒ，Ｇ，Ｂを観察したときの、無電界時における出射率が４０％より大きい観察点、ＯＮ電界印加時における出射率が＜０．４％より小さい観察点、及びコントラストが１０より大きい観察点のそれぞれの、前記半球面の表面積に対する割合のことであり、いずれも、前記液晶表示素子に対してその前面（偏光板１０の前面）の法線方向から光を入射させたときの値である。
【００７８】
図４（ａ）のように、液晶分子のツイスト角が６０°の液晶表示素子は、無電界時における出射率が４０％より大きい出射光Ｒ，Ｇ，Ｂの視野角範囲に大きな差があり、特に青の波長帯域の出射光Ｂの出射率が４０％より大きい視野角範囲が極端に小さいため、明表示が黄色に帯色して見える視野角範囲が広い。
【００７９】
一方、液晶分子のツイスト角が６５°〜７５°の液晶表示素子はいずれも、無電界時における出射率が４０％より大きい出射光Ｒ，Ｇ，Ｂの各視野角範囲の差が小さく、したがって、帯色が無く明るい白表示（明表示）の視野角範囲が広い。特に、液晶分子のツイスト角が６５°〜７０°の液晶表示素子は、前記出射光Ｒ，Ｇ，Ｂの視野角範囲がいずれも約６５％以上で、明表示の視野角がより広い。
【００８０】
しかし、液晶分子のツイスト角が８０°の液晶表示素子は、無電界時における出射率が４０％より大きい出射光Ｒ，Ｇ，Ｂの視角範囲がいずれも約６３％以下であり、明表示の視野角範囲がが狭くなる。
【００８１】
また、図４（ｂ）のように、液晶分子のツイスト角が６０°の液晶表示素子は、ＯＮ電界印加時（暗表示）における出射率が０．４％より小さい出射光Ｒ，Ｇ，Ｂの視野角範囲が、赤の波長帯域の出射光Ｒで約４８％、緑の波長帯域の出射光Ｇで約４３％、青の波長帯域の出射光Ｂで約３８％であり、暗表示の視野角が狭い。
【００８２】
一方、液晶分子のツイスト角が６５°〜８０°の液晶表示素子は、ＯＮ電界印加時における出射率が０．４％より小さい出射光Ｒ，Ｇ，Ｂの視野角範囲が、赤の波長帯域の出射光Ｒで約５９％以上、緑の波長帯域の出射光Ｇで約５３％以上、青の波長帯域の出射光Ｂで約４５％以上であり、暗表示の視野角がツイスト角６０°のときより広い。
【００８３】
なお、これらのツイスト角６５°〜８０°の液晶表示素子は、前記ツイスト角６０°の液晶表示素子に比べて、ＯＮ電界印加時における赤、緑、青の各波長帯域の出射光Ｒ，Ｇ，Ｂの視野角範囲の差が大きいが、これらの波長帯域の出射光Ｒ，Ｇ，Ｂの出射率が０．４％未満であるため、観察される暗表示は、実質的に黒の表示である。
【００８４】
さらに、図４（ｃ）のように、液晶分子のツイスト角が６０°の液晶表示素子は、コントラストが１０より大きい視野角範囲が、赤の波長帯域の出射光Ｒで約４８％、緑の波長帯域の出射光Ｇで約４３％、青の波長帯域の出射光Ｂで約３８％であり、充分なコントラストが得られる視野角が狭い。
【００８５】
一方、液晶分子のツイスト角が６５°〜８０°の液晶表示素子は、コントラストが１０より大きい視野角範囲が、赤の波長帯域の出射光Ｒで約５７％以上、緑の波長帯域の出射光Ｇで約５２％以上、青の波長帯域の出射光Ｂで約４６％以上であり、充分なコントラストが得られる視野角が広い。
【００８６】
このように、液晶分子のツイスト角が６５°〜８０°の液晶表示素子は、いずれも、明表示が帯色の無い白表示の視野角範囲が広く、また、暗表示が充分に黒い視野角が広く、充分なコントラストが得られる視野角も広い。
【００８７】
しかし、これらの液晶表示素子のうち、液晶分子のツイスト角が８０°の液晶表示素子は、図４（ａ）のように帯色が無く明るく白い明表示の視野角が狭い。
【００８８】
それに対し、液晶分子のツイスト角が６５°〜７５°である上記実施例の液晶表示素子は、明表示と暗表示の視野角がいずれも広く、また充分なコントラストが得られる視野角も広いため、明るく、しかも広い視野角にわたって、高コントラストで帯色もほとんど無い良好な表示を得ることができる。
【００８９】
このように、上記実施例の液晶表示素子は、液晶分子がツイスト配向した液晶層８を有する液晶セル１の前側に偏光板１０を配置し、前記液晶セル１の液晶層８よりも後側に、前側からの入射光を反射させる反射膜１１を設けるとともに、前記液晶セル１の液晶分子のツイスト角を６５°〜７５°、Δｎｄの値を２００ｎｍ〜３２０ｎｍに設定し、前記液晶セル１と前記偏光板１０との間に、１３７．５ｎｍ〜１６９．８ｎｍのリタデーションを有する位相差板１２を配置することにより、明るく、しかも広い視野角にわたって、高コントラストで帯色もほとんど無い良好な表示を得ることができるようにしたものである。
【００９０】
この液晶表示素子において、前記液晶セル１は、上述したように、液晶分子のツイスト角を６５°〜７０°の範囲、Δｎｄの値を２５５ｎｍ〜２８０ｎｍの範囲に設定したものが好ましく、前記液晶分子のツイスト角とΔｎｄの値をこの範囲にすることにより、前記反射膜１１により反射された反射光を、前側から偏光板１０を透過して入射した直線偏光光により近い偏光状態の光として前記偏光板１０にその後側から入射させ、前記反射光の出射率をより高くして、さらに明るい明表示を得ることができる。
【００９１】
また、前記位相差板１２は、１４７．４ｎｍ〜１６９．８ｎｍのリタデーションを有するものがより好ましく、その場合、前記偏光板１０を、その透過軸１０ａを前記液晶セル１の前側基板２の近傍における液晶分子配向方向２ａに対して７６°〜８５°ずらして配置し、前記位相差板１２を、その遅相軸１２ａを前記偏光板１０の透過軸１０ａに対して実質的に４５°ずらして配置することにより、前記反射膜１１により反射された反射光を、前側から偏光板１０を透過して入射した直線偏光光とほとんど変わらない偏光状態の光にして前記偏光板１０にその後側から入射させ、より明るい明表示を得ることができる。
【００９２】
さらに、前記位相差板１２は、上述したように、可視光帯域の略全域の波長光に対して実質的に等しい位相差を与える広帯域位相差板が好ましく、このような広帯域位相差板を用いることにより、帯色の無い表示の視野角をより広くすることができる。
【００９３】
なお、上記実施例では、前記反射膜１１を液晶セル１の後側基板３の外面に設けているが、この反射膜１１は、液晶層８よりも後側であれば、前記液晶セル１の後側基板３の内面（前側基板２に対向する面）に設けてもよく、その場合は、前記液晶セル１の後側基板３の内面の電極５をアルミニウム合金膜により形成し、この電極５に反射膜を兼ねさせてもよい。
【００９４】
さらに、前側からの入射光を反射させる反射手段は、入射光をその入射角と同じ反射角で正反射する鏡面反射膜に限らず、入射光を拡散させて反射する拡散反射膜でもよい。
【００９５】
また、前記液晶セル１とその前側に配置された偏光板１０との間に配置する位相差素子は、前記位相差板１２に限らず、例えば、一対の透明基板間に、液晶分子を分子長軸を一方向に揃えてホモジニアス配向させた液晶層を設けてなる液晶素子や、高分子液晶を分子長軸を一方向に揃えて配向させた高分子液晶フィルム等でもよい。
【００９６】
さらにまた、上記実施例の液晶表示素子は、単純マトリックス方式の液晶セル１を備えたものであるが、前記液晶セル１は、アクティブマトリックス方式のものでもよい。
【００９７】
また、上記実施例の液晶表示素子は、白黒画像を表示するものであるが、この発明は、液晶セルの一方の基板の内面（他方の基板に対向する面）に、複数の画素部にそれぞれ対応する複数の色（例えば赤、緑、青の３色）のカラーフィルタが設けられた、カラー画像を表示する液晶表示素子にも適用することができる。
【００９８】
【発明の効果】
この発明の液晶表示素子は、液晶分子がツイスト配向した液晶層を有する液晶セルの前側に偏光板を配置し、前記液晶セルの液晶層よりも後側に、前側からの入射光を反射させる反射手段を設けるとともに、前記液晶セルの液晶分子のツイスト角を６５°〜７５°、Δｎｄの値を２００ｎｍ〜３２０ｎｍに設定し、前記液晶セルと前記偏光板との間に、前記偏光板を透過して入射した光を円偏光にして出射する位相差素子を配置したものであるため、明るく、しかも広い視野角にわたって、高コントラストで帯色もほとんど無い良好な表示を得ることができる。
【００９９】
この発明の液晶表示素子において、前記液晶セルの液晶分子のツイスト角は６５°〜７０°、Δｎｄの値は２５５ｎｍ〜２８０ｎｍであるのが好ましく、前記液晶分子のツイスト角とΔｎｄの値をこの範囲にすることにより、前記反射手段膜により反射された反射光を、前側から前記偏光板を透過して入射した直線偏光光により近い偏光状態の光として前記偏光板にその後側から入射させ、前記反射光の出射率をより高くして、さらに明るい明表示を得ることができる。
【０１００】
また、前記位相差素子は、１４７．４ｎｍ〜１６９．８ｎｍのリタデーションを有する位相差板が好ましく、その場合は、前記偏光板を、その透過軸を前記液晶セルの前側基板の近傍における液晶分子配向方向に対して７６°〜８５°ずらして配置し、前記位相差板を、その遅相軸を前記偏光板の透過軸に対して実質的に４５°ずらして配置することにより、前記反射手段により反射された反射光を、前側から前記偏光板を透過して入射した直線偏光光とほとんど変わらない偏光状態の光にして前記偏光板にその後側から入射させ、より明るい明表示を得ることができる。
【０１０１】
さらに、前記位相差板は、可視光帯域の略全域の波長光に対して実質的に等しい位相差を与える広帯域位相差板が好ましく、このような広帯域位相差板を用いることにより、帯色の無い表示の視野角をより広くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示す液晶表示素子の一部分の断面図。
【図２】前記液晶表示素子の液晶セルの液晶分子配向方向と偏光板の透過軸の向きと位相差素子として設けられた位相差板の遅相軸の向きを示す図。
【図３】試験用液晶表示素子の液晶分子のツイスト角及びΔｎｄの値と無電界時における反射光の出射率との関係を示す図。
【図４】液晶セルの液晶分子のツイスト角と、赤、緑、青の各波長帯域の出射光の視野角範囲との関係を示す図。
【符号の説明】
１…液晶セル
２，３…基板
２ａ…前側基板の近傍における液晶分子配向方向
３ａ…後側基板の近傍における液晶分子配向方向
４，５…電極
６，７…配向膜
８…液晶層
９…偏光板
９ａ…透過軸
１１…反射膜（反射手段）
１２…位相差板（位相差素子）
１２ａ…遅相軸

Claims (4)

1. 表示の観察面側である前側の基板とこの前側基板に対向する後側基板との互いに対向する面にそれぞれ電極が設けられ、これらの基板間に液晶分子がツイスト配向した液晶層が設けられるとともに、前記液晶分子のツイスト角が６５°〜７５°、液晶の屈折率異方性Δｎと液晶層厚ｄとの積Δｎｄの値が２００ｎｍ〜３２０ｎｍに設定された液晶セルと、
   前記液晶セルの前側に配置された偏光板と、
   前記液晶セルの液晶層よりも後側に設けられ、前側からの入射光を反射させる反射手段と、
   前記液晶セルと前記偏光板との間に配置され、前記偏光板を透過して入射した光を円偏光にして出射する位相差素子と、
   を備えたことを特徴とする液晶表示素子。
2. 液晶セルの液晶分子のツイスト角は６５°〜７０°、Δｎｄの値は２５５ｎｍ〜２８０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
3. 位相差素子は、１４７．４ｎｍ〜１６９．８ｎｍのリタデーションを有する位相差板であり、偏光板は、その透過軸を液晶セルの前側基板の近傍における液晶分子配向方向に対して７６°〜８５°ずらして配置され、前記位相差板は、その遅相軸を前記偏光板の透過軸に対して実質的に４５°ずらして配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示素子。
4. 位相差板は、可視光帯域の略全域の波長光に対して実質的に等しい位相差を与える広帯域位相差板であることを特徴とする請求項３に記載の液晶表示素子。

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