JP2005321830A - 液晶装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】斜め方向から入射した光に対する偏光度が低い反射偏光子を提供する。また、明るく二重像が見えにくい反射型あるいは半透過反射型の液晶装置を提供する。
【解決手段】面内に屈折率異方性を有する第一の層と面内に屈折率異方性を有しない第二の層を交互に多数積層して構成されることを特徴とする反射偏光子であって、前記第一の層が光学的二軸性であることを特徴とする反射偏光子。
またこの反射偏光子を液晶セルの上あるいは下に、特定の軸方向で配置したことを特徴とする液晶装置。
【選択図】 図２

Description

本発明は液晶装置に関し、さらにこの液晶装置を搭載した電子機器に関する。

ＰＤＡ等の情報ツールや携帯電話、ウォッチ等の携帯型電子機器用途には、消費電力が小さい反射型液晶装置や半透過反射型液晶装置が適している。しかしながら、従来の反射型液晶装置や半透過型液晶装置には、表示が暗いという課題があった。

このような課題を解決する一手段として、複屈折性の誘電体多層膜を利用した反射偏光子を利用する方法が、特表平９−５０６９８５号公報や、国際公開された国際出願（国際出願の番号：ＷＯ９７／０１７８８）、Conference Record of the 1997 International Display Research Conference,M-98,1997等に開示されている。

この複屈折性の誘電体多層膜は、所定の直線偏光成分を反射し、それ以外の偏光成分を透過する機能を有する。このような反射偏光子を反射型液晶装置や半透過反射型液晶装置に利用すると、従来から利用されている金属反射板と異なり所定の偏光成分の光を全反射する上、吸収型の偏光板のように光を吸収しないため、大変に明るい表示が得られるという特徴を有する。

しかしながら、こうした従来の複屈折性の誘電体多層膜を利用した反射偏光子を用いても、まだ反射型液晶装置は表示が暗いという課題があった。また反射型液晶装置には視差によって二重像が生じるという別の問題もあった。

そこで本発明は、斜め方向から入射した光に対する偏光度が低い反射偏光子を提供することを目的とする。また本発明は、明るく二重像が見えにくい反射型あるいは半透過反射型の液晶装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の液晶装置は、一対の基板間に液晶組成物を挟んで成る液晶セルと、
面内に屈折率異方性を有する第一の層と面内に屈折率異方性を有しない第二の層を交互に多数積層して構成され、前記第一の層が光学的二軸性である反射偏光子とを有する液晶装置であって 前記反射偏光子を前記液晶セルの観察者側に配置し、且つ前記反射偏光子の反射軸が、前記液晶セルの１２時方向を上方向とした場合の上下方向±３０度の範囲内に配置されることを特徴とする。液晶セルの上下方向±３０度の範囲を逸脱すると、斜め方向に光源があるといった特殊な環境下でしか本発明の効果が得られない。このように構成することによって、上側に反射偏光子を配置しても反射偏光子特有のぎらぎらとした光沢が抑えられ、すっきりした表示が出来る。また１２時方向から入射する光が像を結ばず、そのまま表示に利用できる。従って、明るく二重像の見えにくい反射型あるいは半透過反射型の表示を提供することが出来る。

請求項２記載の液晶装置は、請求項１に記載の液晶装置であって、前記反射偏光子の前記反射軸が、前記液晶セルの１２時方向を上方向とした場合の上下方向±１５度の範囲に配置されることを特徴とする。
このように構成することにより、更に明るく二重像の見えにくい反射型あるいは半透過反射型の表示を提供することが出来る。

請求項３記載の電子機器は、請求項１または請求項２記載の液晶装置を、表示部として備えたことを特徴とする。このように構成したため、請求項３記載の電子機器は、消費電力が少なく、高品質な表示を得ることが出来る。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の請求項１乃至請求項３記載の発明に係る反射偏光子の構造の要部を示す図である。反射偏光子は、基本的に複屈折性の誘電体多層膜であって、二種類の高分子層１０１と１０２を交互に積層して成る。二種類の高分子は、一つは光弾性率が大きい材料から、もう一つは光弾性率が小さい材料から選ばれるが、その際に両者の常光線の屈折率が概ね等しくなるよう留意する。例えば、光弾性率の大きい材料としてＰＥＮ（２，６−ポリエチレン・ナフタレート）を、小さい材料としてｃｏＰＥＮ（７０−ナフタレート／３０−テレフタレート・コポリエステル）を選ぶ。両フィルムを交互に積層し、図１の直交座標系１０３のｘ軸方向に約５倍延伸したところ、ｘ軸方向の屈折率がＰＥＮ層において約１．８８、ｃｏＰＥＮ層において約１．６４となった。またｙ軸方向の屈折率はＰＥＮ層でもｃｏＰＥＮ層でも約１．６４であった。この積層フィルムに法線方向から光が入射すると、ｙ軸方向に振動する光の成分はそのままフィルムを透過する。これが透過軸である。一方ｘ軸方向に振動する光の成分は、ＰＥＮ層とｃｏＰＥＮ層が、ある一定の条件を満たす場合に限って、反射される。これが反射軸である。その条件とは、ＰＥＮ層の光路長（屈折率と膜厚の積）と、ｃｏＰＥＮ層の光路長（屈折率と膜厚の積）の和が光の波長の２分の１に等しいことである。このようなＰＥＮ層とｃｏＰＥＮ層を各々数十層以上、出来れば百層以上、厚みにして３０μｍほど積層させると、ｘ軸方向に振動する光の成分のほぼ全てを反射させることが出来る。

このようにして作成された理想的な反射偏光子は、設計された単一の波長の光でしか偏光能を生じない。もちろん実際には、ＰＥＮ層とｃｏＰＥＮ層の厚みにばらつきが生じるため、ある程度の波長幅で偏光能が生じるが、それでも数十ｎｍの幅である。そこで、可視光の広い波長領域にわたって偏光能を持たせるためには、偏光反射波長範囲が異なる複数の反射偏光子を、軸を揃えて積層する。このように構成した反射偏光子は、可視光のほぼ全域にわたって９０％以上の高い偏光度を示した。

以上は法線方向から反射偏光子に入射する光の挙動に対する説明である。本発明の主眼は斜め方向から入射する光の挙動にある。図２は、本発明の反射偏光子を構成する２種類の層１０１と１０２の屈折率特性を示す図である。２０１は光弾性率が大きい材料を延伸した第一の層１０１の屈折率楕円体を、２０２は光弾性率が小さい材料を延伸した第二の層１０２の屈折率楕円体を示す。各々の楕円体の３つの主屈折率をｎｘ、ｎｙ、ｎｚとする。但し、層の面（ｘ−ｙ平面２３１）内で主たる延伸方向と平行な方向の屈折率２１１と２２１をｎｘ、層の面内で主たる延伸方向と直角な方向の屈折率２１２と２２２をｎｙ、膜厚方向の屈折率２１３と２２３をｎｚとする。但し主たる延伸方向とは、先ほどの説明では図１のｘ軸方向に相当し、二軸延伸した場合にはより延伸率の大きい方向を指す。

さて、実施例１の反射偏光子Ａ、Ｂと比較のための反射偏光子Ｃの各層の屈折率を精密に測定した結果を表１に示す。但しこの測定は、第一の層と第二の層を別々に作成して同様に延伸したフィルムを用いて行った。

いずれの反射偏光子においても、第一の層は面内に屈折率異方性（ｎｘ−ｎｙ）を有し、第二の層は面内に屈折率異方性をほとんど有しない。また反射偏光子ＡとＢの第一の層はｎｘ、ｎｙ、ｎｚが全て大きく異なる値をとり、特に反射偏光子Ａではｎｚ＜ｎｙであるが、反射偏光子Ｃの第一の層はｎｙとｎｚの値がほぼ等しい。即ち、反射偏光子ＡとＢの第一の層は光学的二軸性であるが、反射偏光子Ｃの第一の層は光学的一軸性である。また第一の層におけるｎｚとｎｙの比ｎｚ／ｎｙと、第二の層におけるｎｚとｎｙの比ｎｚ／ｎｙは、反射偏光子ＡとＢでは大きく異なるが、反射偏光子Ｃではほぼ等しい。以上を総合すると、反射偏光子Ａは本発明の請求項１乃至請求項３記載の発明に係る反射偏光子であり、反射偏光子Ｂは本発明の請求項１または請求項２記載の発明に係る反射偏光子である。

反射偏光子ＡやＢのように、第一の層におけるｎｚ／ｎｙと、第二の層におけるｎｚ／ｎｙが大きく異なるように構成することによって、ｙ−ｚ平面内で斜めから入射した光２４２の内、ｙ−ｚ平面内で振動する光に対する屈折率は、第一の層と第二の層とで食い違ってくる。即ち入射角度が大きくなるほど反射される光の割合が増加し、偏光度が劣化する。

また反射偏光子Ａのように、第一の層のｎｚがｎｙよりも小さくなるように構成することによって、ｘ−ｚ平面内で斜めから入射した光２４１の内、ｘ−ｚ平面内で振動する光に対する屈折率が小さくなり、光軸と一致する方向では複屈折が消失する。即ち入射角度が大きくなるほど、透過する光の割合が増加し、偏光度が劣化する。

図３は、偏光度の入射光角度依存性を示す図である。（ａ）がｘ−ｚ平面内における入射光角度依存性、（ｂ）がｙ−ｚ平面内における入射光角度依存性である。３０２と３１２が反射偏光子Ａの特性、３０３と３１３が反射偏光子Ｂの特性、３０１と３１１が反射偏光子Ｃの特性である。

反射偏光子ＡもＢも、ｙ−ｚ平面内で斜めから入射した光に対する偏光度が悪い。これは本来透過されるべき偏光が反射されるからである。また反射偏光子Ａは、ｘ−ｚ平面内で斜めから入射した光に対する偏光度も悪い。これは本来反射されるべき偏光が透過するからである。

（実施例２）
図４は本発明の請求項４または請求項５記載の発明に係る液晶装置の構造の要部を示す図である。まず構成を説明する。図４において、４０１は偏光板、４０２は位相差フィルム、４０３は上側ガラス基板、４０４は液晶層、４０５は下側ガラス基板、４０６は光散乱体、４０７は反射偏光子、４０８は光吸収体、４０９はＩＴＯからなる走査電極、４１０はＩＴＯからなる信号電極である。４０１と４０２、４０２と４０３、４０５と４０６、４０６と４０７、４０７と４０８は、それぞれ互いに糊で接着している。また上下の基板間は広く離して描いてあるが、これは図を明解にするためであって、実際には数μｍから十数μｍの狭いギャップを保って対向している。なお図示した構成要素以外にも、液晶配向膜や絶縁膜、スペーサー・ボール、ドライバーＩＣ、駆動回路等の要素も不可欠であるが、これらは本発明を説明する上で特に必要が無く、却って図を複雑にし理解し難くする恐れがあるため、省略した。

次に各構成要素について順に説明する。偏光板４０１は所定の直線偏光成分を吸収し、それ以外の偏光成分を透過する機能を有している。これは現在最も一般に利用されているタイプの偏光板であって、ヨウ素等のハロゲン物質や二色性染料をポリ・ビニル・プチラール等の高分子フィルムに吸着させて作製する。

位相差フィルム４０２は、例えばポリ・カーボネート樹脂の一軸延伸フィルムであって、ＳＴＮ型液晶装置の表示の着色を補償するために利用される。ＴＮ型液晶装置の場合には省略されることが多い。

液晶層４０４は１８０度から２７０度ねじれたＳＴＮネマチック液晶組成物から成る。表示容量が小さい場合には９０°ねじれたＴＮ液晶組成物を用いても良い。ねじれ角は上下ガラス基板表面における配向処理の方向と、液晶に添加するカイラル剤の分量で決定する。

光散乱体４０６には、透明ビーズを分散したプラスチックフィルムが利用できる。接着剤中にビーズを混入して、直接液晶装置等に接着しても良い。また特定の角度から入射した光のみを散乱する光制御板を利用してもよい。このような光制御板は住友化学工業株式会社からルミスティ（商品名）として発売されている。なおここで言う光散乱とは、偏光を乱さない程度の弱い散乱を指す。光散乱板は、鏡面に近い反射偏光子の反射光を適度に拡散させる目的で配置する。

反射偏光子４０７には、実施例１で説明した反射偏光子を利用した。

光吸収板４０８には、黒色ビニールシートや黒紙を接着するか、黒色塗料を直接塗布して利用する。なお、黒色以外にも比較的暗い色ならば、青色や茶色、灰色など好みによって利用できる。この光吸収板は不要な偏光を吸収する目的で配置するが、半透過反射型液晶装置等で、この偏光を利用しようとする場合には、半透明な光吸収板を利用すれば良い。

次に具体的な液晶セルの条件を紹介する。まず図４における液晶層４０４のリターデーション（複屈折率と層厚の積）を１．００μｍ、位相差フィルム４０２のリターデーションを０．６５μｍに設定した。図５は各軸の関係を示す図であり、５０１は偏光板１０１の偏光軸（透過軸）、５０２は位相差フィルムの遅相軸（延伸軸）、５０３は上側ガラス基板のラビング軸、５０４は下側ガラス基板のラビング軸、５０５は反射偏光子の反射軸である。また５１０は液晶セルの左右方向（水平方向）を示す。ここで、５０１が５０２と成す角度５１１を左５８度に、５０２が５０３と成す角度５１２を左７７度に、５０４が５０３となす角度、即ち液晶のねじれ角５１３を左２４０度に、５０５が５０４となす角度５１４を右４４度に設定した。２本のラビング軸５０３と５０４は対称であるから、反射偏光子の偏光軸５０５が、液晶セルの左右方向５１０となす角度５１５は右１４度になり、ほぼ左右方向に平行であると言って良い。

このようにして作製した液晶装置は、通常の偏光板を利用した液晶装置と比較して、３０％以上明るいという特徴を有している。その理由は二つある。一つは金属アルミニウムの反射率が９０％弱しかないのに対し、本発明の反射偏光子は反射軸に平行な光のほぼ１００％を反射するからである。もう一つの理由は、通常の吸収型偏光板がヨウ素等のハロゲン物質や染料等の二色性物質を利用しており、その二色比が必ずしも高くないために、およそ２０％の光を無駄にしていることである。

またこの液晶装置は、特に上方向（１２時方向）から光が入射した際に、二重像を生じにくく、明るいという特徴がある。これは、上方向から光が入射したときに、反射偏光子４０７の偏光度が低く、反射率が高いためである。この効果は、実施例１の反射偏光子Ｃを利用したときよりも、反射偏光子ＡあるいはＢを利用したときの方が高かった。

また反射偏光子の反射軸方向が液晶セルの左右方向にほぼ平行であることは、構造が複雑で高価な反射偏光子が原反から効率よく取れることを意味し、コスト的にも有利である。

（実施例３）
図６は本発明の請求項６記載の発明に係る液晶装置の構造の要部を示す図である。まず構成を説明する。図６において、６０１は反射偏光子、６０２は対向基板、６０３は液晶組成物、６０４は素子基板、６０５は光散乱板、６０６は反射偏光子、６０７は光吸収板、６０８はバックライトの導光板、６０９は光反射板、６１０はバックライトの光源であり、対向基板６０２上にはカラーフィルタ６１１と、対向電極（走査線）６１２を設け、素子基板６０４上には信号線６１３、画素電極６１４、ＭＩＭ素子６１５を設けた。ここで６０１と６０２、６０４と６０５、６０５と６０６、６０６と６０７は、互いに離して描いてあるが、これは図を明解にするためであって、実際には糊で接着している。また対向基板６０２と素子基板６０４の間も広く離して描いてあるが、これも同様の理由からであって実際には数μｍから十数μｍ程度のギャップしかない。また、図６は液晶装置の一部を示しているため、３本の走査線６１２と３本の信号線６１６が交差して出来る３×３のマトリクス、即ち９ドット分しか図示していないが、実際にはさらに多くのドットを有する。

対向電極６１２と画素電極６１４は透明なＩＴＯで形成した。信号線６１３は金属Ｔａで形成した。ＭＩＭ素子は絶縁膜Ｔａ２Ｏ５を金属Ｔａと金属Ｃｒで挟んだ構造である。液晶組成物６０３は９０度ねじれたネマチック液晶である。６１１は加法混色の三原色である赤色（図中「Ｒ」で示した）と緑色（図中「Ｇ」で示した）と青色（図中「Ｂ」で示した）の３色から成り、モザイク状に配列した。

なお、ここではＭＩＭアクティブマトリクス方式の液晶装置を例として挙げたが、単純マトリクス方式の液晶装置を採用しても、本発明の効果に変わりはない。その場合は、信号線を対向電極同様の短冊状ＩＴＯで形成して、ＭＩＭ素子と画素電極を設けない。またＴＮモードの代わりに、実施例２と同様なＳＴＮモードを採用する。

上側の反射偏光子６０１には、実施例１の反射偏光子Ａを利用した。下側の反射偏光子６０６は、実施例１の反射偏光子Ａ、Ｂ、Ｃを利用しても良いし、通常の偏光板付き半透過反射板を利用しても良い。後者の場合には６０５と６０７が不要である。

半光吸収板６０７としては、灰色の半透明フィルムが利用できる。灰色の半透明フィルムとしては、可視光の全波長範囲の光に対して１０％以上８０％以下、より好ましくは５０％以上７０％以下の透過率を有する散乱性のフィルムが適している。このようなフィルムは、例えば（株）辻本電機製作所から光拡散フィルムＤ２０２（商品名）という名称で発売されている。また部分的に透明な光吸収フィルム、つまり肉眼では観察できない直径数μｍの微細な穴を多数設けた黒色フィルム等も利用できる。また吸収型偏光板を反射偏光子６０６と軸をずらして配置しても良い。

バックライトの導光体６０８には透明性の良いアクリル樹脂の平板を用い、その表面に白色塗料を印刷した。導光体の背面には白色の光反射板６０９を配置して後方に漏れる光を前方に戻す。

次に具体的な液晶セルの条件を紹介する。まず図６における液晶層６０３のリターデーション（複屈折率と層厚の積）を０．４２μｍに設定した。図７は各軸の関係を示す図であり、７０１は反射偏光子６０１の偏光軸（透過軸）、７０２は上側ガラス基板のラビング軸、７０３は下側ガラス基板のラビング軸、７０４は反射偏光子６０６の反射軸である。また７１０は液晶セルの左右方向（水平方向）を示す。ここで、７０１、７０２、７０４は平行であって、これらが７０３と成す角度７１１を９０度に設定した。このとき、上側の反射偏光子６０１の偏光軸（透過軸）７０１が、液晶セルの左右方向７１０となす角度は、０度になる。

このようにして作製した液晶装置は、特に上方向（１２時方向）から光が入射した際に、二重像を生じにくく、明るいという特徴がある。これは、上方向から光が入射したときに、反射偏光子６０１の偏光度が低く、透過率が高くなっているためである。また通常の反射偏光子を液晶セルの観察者側に配置すると、反射偏光子の鏡面的な反射が表示を損なうが、本発明の反射偏光子を利用するとそのような反射も抑制できる。

また反射偏光子の反射軸方向が液晶セルの上下方向にほぼ平行であることは、構造が複雑で高価な反射偏光子が原反から効率よく取れることを意味し、コスト的にも有利である。

（実施例４）
本発明の請求項７記載の電子機器の例を３つ示す。

本発明の液晶装置は、様々な環境で用いられ、しかも低消費電力が必要とされる携帯機器に適している。

図８（ａ）は携帯電話であり、本体８０１の前面上方部に表示部８０２が設けられる。携帯電話は、屋内屋外を問わずあらゆる環境で利用される。特に自動車内で利用されることが多いが、夜間の車内は大変暗い。従って携帯電話に利用される表示装置は、消費電力が低い反射型表示をメインに、必要に応じて補助光を利用した透過型表示ができる半透過反射型液晶装置が望ましい。本発明の液晶装置は、反射型表示でも透過型表示でも従来の液晶装置より明るく、また反射型表示特有の二重像が見えにくい。

図８（ｂ）はウォッチであり、本体８０３の中央に表示部８０４が設けられる。ウォッチ用途における重要な観点は、高級感である。本発明の液晶装置は、明るいことはもちろん、光の波長による特性変化が少ないために色づきも小さい。また二重像も見えにくい。従って、従来の液晶装置と比較して、大変に高級感ある表示が得られる。

図８（ｃ）は携帯情報機器であり、本体８０５の上側に表示部８０６、下側に入力部８０７が設けられる。また表示部の前面にはタッチ・キーを設けることが多い。通常のタッチ・キーは表面反射が多いため、表示が見づらい。従って、従来は携帯型と言えども透過型液晶装置を利用することが多かった。ところが透過型液晶装置は、常時光源を利用する消費電力が大きく、電池寿命が短かかった。このような場合にも本発明の液晶装置は、反射型、半透過反射型でも表示が明るく鮮やかであるため、携帯情報機器に利用することが出来る。

（発明の効果）
以上述べたように、本発明によれば、斜め方向から入射した光に対する偏光度が低い反射偏光子を提供することが出来る。また本発明は、明るく二重像が見えにくい反射型あるいは半透過反射型の液晶装置、消費電力の小さい電子機器を提供することが出来る。

本発明の実施例１における反射偏光子の、構造の要部を示す図である。 本発明の実施例１における反射偏光子を構成する２種類の層の屈折率特性を示す図である。 本発明の実施例１における反射偏光子の、偏光度の入射角依存性を示す図である。 本発明の実施例２における液晶装置の、構造の要部を示す図である。 本発明の実施例２における液晶装置の、各軸の関係を示す図である。 本発明の実施例３における液晶装置の、構造の要部を示す図である。 本発明の実施例３における液晶装置の、各軸の関係を示す図である。 本発明の実施例４における電子機器の、外観を示す図である。（ａ）携帯電話、（ｂ）ウォッチ、（ｃ）携帯情報機器。

符号の説明

１０１ 光弾性率が大きい材料を延伸した層
１０２ 光弾性率が小さい材料を延伸した層
１０３ 直交座標系、ｘ軸方向が延伸方向であり反射軸
２０１ 層１０１の屈折率楕円体
２０２ 層１０２の屈折率楕円体
２１１ 層１０１の面内で主たる延伸方向と平行な方向の屈折率ｎｘ
２１２ 層１０１の面内で主たる延伸方向と直角な方向の屈折率ｎｙ
２１３ 層１０１の膜厚方向の屈折率ｎｚ
２２１ 層１０２の面内で主たる延伸方向と平行な方向の屈折率ｎｘ
２２２ 層１０２の面内で主たる延伸方向と直角な方向の屈折率ｎｙ
２２３ 層１０２の膜厚方向の屈折率ｎｚ
２３１ ｘ−ｙ平面（反射偏光子表面と平行な面）
２３２ ｘ−ｚ平面（反射偏光子の延伸方向と膜厚方向を両方含む面）
２３３ ｙ−ｚ平面（反射偏光子の延伸方向と直角な方向と膜厚方向を両方含む面）
２４１ ｘ−ｚ平面内で斜めから入射した光
２４２ ｙ−ｚ平面内で斜めから入射した光

Claims (4)

1. 一対の基板間に液晶組成物を挟んで成る液晶セルと、
   面内に屈折率異方性を有する第一の層と面内に屈折率異方性を有しない第二の層を交互に多数積層して構成され、前記第一の層が光学的二軸性である反射偏光子と
   を有する液晶装置であって
   前記反射偏光子を前記液晶セルの観察者側に配置し、且つ前記反射偏光子の反射軸が、前記液晶セルの１２時方向を上方向とした場合の上下方向±３０度の範囲内に配置される
   ことを特徴とする液晶装置。
2. 請求項１に記載の液晶装置であって、
   前記反射偏光子の前記第一の層と前記第二の層の面内の屈折率の、前記液晶セルの１２時方向を上方向とした場合の左右方向の屈折率は異なり、上下方向の屈折率はほぼ等しく、厚さ方向の屈折率は異なっている
   ことを特徴とする液晶装置。
3. 請求項１または２に記載の液晶装置であって、
   前記反射偏光子の前記反射軸が、前記液晶セルの１２時方向を上方向とした場合の上下方向±１５度の範囲に配置される
   ことを特徴とする液晶装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の液晶装置を表示部として備えたことを特徴とする電子機器。

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