JP2006039327A - 半透過反射型カラー液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 内在反射方式の半透過反射型カラ−液晶表示装置は、透過表示の彩度と明るさが不足しているという問題点がある。
【解決手段】 第１の偏光板１１と、カラーフィルタ１３とパターンニング位相差層９と半透過反射層７を第１基板に内在した液晶素子２０と、第２の偏光板１２を備え、パターンニング位相差層の膜厚を０．３〜０．６μにすることで、半透過反射層の開口部のカラーフィルタ膜厚が、非開口部のカラーフィルタ膜厚より厚くなり、追加工程無しで、高彩度で、明るい透過表示が得られ、かつ、明るい反射表示も可能である内在反射方式の半透過反射型カラー液晶表示装置を得られた。
【選択図】 図１

Description

本発明は液晶表示装置の構成に関し、特に、液晶素子内部に反射層を備えた内在反射方式の半透過反射型カラー液晶表示装置の透過モードにおける明るさと彩度を高める技術に関するものである。

従来、反射型液晶表示装置は、一対の偏光板と、一方の偏光板の外側に配置した反射層の間に、ＴＮ（ツイステッドネマティック）液晶素子や、ＳＴＮ（スーパーツイステッドネマチック）液晶素子を設けた反射型液晶表示装置が主に用いられている。しかし、この方式では明るさが低く、さらに、反射層がガラス基板の外側にあるので、視差により、表示に影が生じるという問題がある。

上記の対策として、反射層を液晶素子内部に形成し、偏光板１枚で表示が可能な内在反射方式の反射型液晶表示装置が提案されている。偏光板が１枚であるので、従来の偏光板を２枚用いる反射型液晶表示装置より明るさを改善することができる。また、反射層を液晶表示素子内部に形成することで、ガラス基板の厚みによる表示の影の問題も解決することが可能である。

また、反射層として、アルミニウムを蒸着やスパッタ法で膜厚が０．０１〜０．０３μｍと非常に薄く成膜し、ハーフミラー化した半透過反射層を用いたり、反射層に画素毎の開口部をフォトエッチングにより設けた半透過反射層を用い、外光が弱い場所や夜間にはバックライトの光で表示を行う内在反射方式の半透過反射型液晶表示装置が開発されている。

この半透過反射型液晶表示装置の第１の従来例（特許文献１参照）を図面を用いて説明する。図１０は、従来の半透過反射型液晶表示装置の断面図である。図１０に示すように、液晶素子３０と、液晶素子３０の上側に、散乱層１５と液晶ポリマー位相差板１２と第１の偏光板１１と、液晶素子３０の下側に設けた、１／４波長位相差板１４と、第２の偏光板１７と、バックライト１６により構成してある。

液晶素子３０は、アルミニウムからなる厚さ０．１５μｍの半透過反射層７と、アクリル系材料からなる厚さ２μｍの保護膜８と、透明電極であるＩＴＯからなる厚さ０．２μｍの第１の電極３とを形成した厚さ０．５ｍｍのガラス板からなる第１の基板１と、ＩＴＯからなる厚さ０．２μｍの第２の電極４が形成されている厚さ０．５ｍｍのガラス板からなる第２の基板２と、第１の基板１と第２の基板２を張り合わせるシール材５と、第１の基板１と第２の基板２とに挟持されているネマチック液晶からなる液晶層６とで形成してある。

この内在反射方式の半透過反射型液晶表示装置は、液晶ポリマー位相差板１２のツイスト角と、液晶層６の複屈折性を表すΔｎとセルギャップｄとの積であるΔｎｄ値、ならびに配置角度を最適化し、液晶素子のツイスト角と液晶ポリマー位相差板のツイスト角に差を設け、かつ、液晶素子のΔｎｄ値と液晶ポリマーのΔｎｄ値に差を設けることにより、液晶ポリマー位相差板１２と液晶層６を合成した複屈折性が、緑色の光の波長の約１／４波長相当になるように設定してある。反射表示において、電圧無印加状態のオフ状態では、入射光は半透過反射層７において円偏光となり、再度、液晶層６と液晶ポリマー位相差板１２を透過して、入射光と直交した直線偏光となり、黒表示が得られる。電圧を印加したオン状態で、液晶素子のΔｎｄ値が減少し、液晶ポリマー位相差板１２と液晶層６を合
成した複屈折性がほぼゼロになるため、第１の偏光板を透過した入射光は、直線偏光のまま、半透過反射層７に到達し、そのまま入射光と平行な直線偏光で、第１の偏光板１１に戻ってくるため、白表示となり、良好なコントラストの反射表示が可能である。

なお、散乱層１５は、入射光が透過しやすく、出射光の散乱性能が良好である前方散乱性材料を用いることで、出射光があらゆる方向に広がり、視認性が向上する。この散乱層１５の代わりに、半透過反射層７自体を凸凹にして散乱性を付与することや、保護膜８に散乱性を持たせた散乱性保護膜を用いることも可能である。

つぎに、この従来の内在反射方式の半透過反射型液晶表示装置の透過表示について説明する。バックライト１６から出た光は、第２の偏光板１７と１／４波長位相差板１４により円偏光となる。この円偏光の回転方向が、第１の偏光板から入射し、液晶ポリマー位相差板１２と液晶素子３０を透過した円偏光と逆回転になるように配置してあるので、電圧を印加していないオフ状態では、液晶ポリマー位相差板１２を透過した光は第１の偏光板の透過軸に直交した直線偏光に戻り、透過光は第１の偏光板１１に吸収され、黒表示となる。電圧を印加したオン状態では、液晶ポリマー位相差板１２と液晶層６を合成した複屈折性がほぼセロになるため、１／４波長位相差板１４から出た円偏光のままで第１の偏光板１１へ到達し、白表示となる。

しかし、バックライト１６から出た光のうち、半透過反射層７の非開口部で反射してバックライト方向に戻る光は、１／４波長位相差板１４を２回通過する間に、偏光方向が９０゜回転し、第２の偏光板１７に吸収されてしまう。そのために、バックライト１６との間で後述するリサイクル効果が得られず、暗い表示となる問題点があった。

この問題点を解決するために、半透過反射層にパターンニング位相差層を備えた半透過反射型液晶表示装置が開発された。この第２の従来例（特許文献２参照）を図１１に示した。位相差値が１／４波長相当であるパターンニング位相差層９を半透過反射層７の非開口部の位置で、半透過反射層の液晶側に設けてある。一方、カラーフィルタは、第２の基板側に設けていることが特徴である。

液晶素子３１は、電圧無印加のオフ状態の複屈折性が１／４波長相当に設定されており、電圧を印加したオン状態では、液晶分子が完全に立ち、複屈折性がほぼゼロになる。反射表示において、オン状態では、液晶層６とパターンニング位相差層９の合計の位相差値は１／４波長となり、第１の偏光板から入射した直線偏光は、半透過反射層７において円偏光となり、半透過反射層７で反射する際に逆回転の円偏光となり、再度、パターンニング位相差層９と液晶層６を透過することで、入射光と直交した直線偏光となって第１の偏光板１１に吸収されるために黒表示が得られる。一方、オフ状態では、液晶層とパターンニング位相差層の合計の位相差値はゼロとなり、入射光の偏向状態は変化せずに第１の偏光板１１に戻るために、第１の偏光板を透過し、白表示が得られる。つまり、電圧無印加時が白表示であるノーマリ白モードが得られる。

一方、透過表示において、半透過反射層７の開口部には、パターンニング位相差層９が無いので、バックライト１６から出た光は、第２の偏光板１７を透過し、そのまま液晶層６へ入射する。第２の偏光板１７の透過軸を、第１の偏光板１１の透過軸と直交するように配置すると、オン状態では、液晶層６の複屈折性はゼロであるため、第１の偏光板１１により吸収され黒表示となる。オフ状態では、液晶層の複屈折性が１／４波長相当であるため、液晶層６を透過した光は円偏光となり、第１の偏光板１１を透過し、白表示が得られる。

さらに、第２の偏光板１７を透過した光で、半透過反射層７の非開口部で反射してバッ
クライト方向に戻る光は、図１０で示した従来の内在反射方式の半透過反射型液晶表示装置の備える１／４波長位相差板１４が不要になるので、偏光状態が変化せず、第２の偏光板１７を透過してバックライト１６に戻り、再度、バックライト表面で反射し、その際に一部の光は偏光方向が回転し、第２の偏光板を透過することができる。この作用を繰り返すリサイクル効果により、明るい透過表示が得られる。

特開２００３−１７２９２５ 特開２００３−２７９９５７

上記のような技術を用いたことで、透過表示において、明るさが改善されたが、反射時の明るさを改善するために、カラーフィルタを用いた半透過反射型のカラー液晶表示装置では、透過率の高いカラーフィルタを用いる必要があり、そのような透過率の高いカラーフィルタは色純度を示す彩度が低いので、透過表示の彩度が不足するという課題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、内在反射方式の半透過反射型カラ−液晶表示装置において、特に、透過表示の彩度を改善し、かつ、明るい反射表示が得られる液晶表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、半透過反射型カラー液晶表示装置において、第１の基板と第２の基板間に液晶層を挟持した液晶素子を備え、液晶素子の第１の基板の液晶層側には、部分的に開口部を設けた半透過反射層と、半透過反射層の開口部を除く非開口部の位置に設けたパターンニング位相差層とを順次配置し、パターンニング位相差層の液晶層側であり、かつ半透過反射層の非開口部に対応する位置と、半透過反射層の開口部に対応する位置との各々にカラーフィルタを備え、半透過反射層の開口部に対応する位置のカラーフィルタの膜厚が、半透過反射層の非開口部に対応する位置のカラーフィルタの膜厚より厚くなっていることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために本発明は、第１の基板と第２の基板間に液晶を挟持した液晶素子を備え、液晶素子の第１の基板の液晶層側には、部分的に開口部を設けた半透過反射層と、半透過反射層の開口部を除く非開口部の位置で、第１の基板と半透過反射層との間にパターンニング位相差層とを設け、半透過反射層の開口部に対応する位置と、半透過反射層の非開口部に対応する位置との各々にカラーフィルタを備え、第１の基板に対して液晶層と反対側には偏光板を配置し、第１の基板と前記偏光板との間に１／４波長位相差板を備え、かつ、半透過反射層の開口部に対応するカラーフィルタの膜厚が、半透過反射層の非開口部に対応するカラーフィルタの膜厚より厚くなっていることを特徴とする

さらに、上記課題を解決するために本発明は、第２の基板の外側に散乱層を備えてもよい。また、第２の基板に対して液晶層と反対側に第１の偏光板を設け、第１の基板に対して液晶層と反対側に配置した偏光板を第２の偏光板とし、この第２の偏光板の外側に、第２の偏光板の透過軸とほぼ平行な透過軸を有する反射型偏光板を備えてもよい。

またパターンニング位相差層の膜厚として、０．２〜１．０ミクロン、好ましくは、０．３〜０．６ミクロンの材料を用いることを特徴とする。

本発明のカラー液晶表示装置において、パターンニング位相差層の材料として、カラーフィルタの膜厚の１／３〜１／２程度になるよう材料を選定することが重要である。一般的には、カラーフィルタの膜厚は１．０〜１．５μであるので、パターンニング位相差層の膜厚を０．３〜０．７μに設定する。これにより、半透過反射層の開口部は、パターンニング位相差層の膜厚と半透過反射層の膜厚を加算した厚さ分の段差が、非開口部との間に設けられる。この段差がある半透過反射層にカラーフィルタの原料であるカラーレジストをスピンナー法を用いて塗布することで、開口部の膜厚が、非開口部より厚いカラーフィルタを形成することができる。

反射表示では、液晶表示装置の第１の偏光板側から入射し、カラーフィルタを透過した光は、半透過反射層の非開口部で反射して、再度、カラーフィルタを透過して出射する。つまり、カラーフィルタを２回透過するので、彩度が低くても、透過率の高いカラーフィルタが好ましい。一方、透過表示では、第２の偏光板側からカラーフィルタを透過して、そのまま、第１の偏光板を透過して出射するので、透過率が低くても、彩度の高いカラーフィルタが好ましい。本願発明を用いることで、パターンニング位相差層を設ける工程のみで、カラーフィルタの膜厚を半透過反射層の開口部と非開口部で変えることが可能となり、明るい反射表示と、高彩度の透過表示を両立することが可能となる効果がある。

また、第２の従来例と同様に、透過表示において、第２の偏光板からの入射光のうち、半透過反射層の非開口部で反射した光は、バックライトに戻ることが可能となり、再度、バックライトで反射して液晶表示装置へ戻るリサイクル効果により、明るい透過表示が得られる効果がある。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良な半透過反射型カラー液晶表示装置の構成と作用を説明する。図１は、本発明の液晶表示装置の構成を示す断面図であり、図２は本発明の液晶表示装置の画素部分を拡大した平面図であり、図３は、本発明のパターンニング位相差層の平面図であり、図４は、本発明の第１の基板の断面の拡大図である。

本発明の半透過反射型カラー液晶表示装置は、図１に示すように、液晶素子の内部にパターンニング位相差層９を備え、かつ、半透過反射層の開口部７ａに対応する位置のカラ−フィルタの膜厚が、非開口部に対応する位置のカラーフィルタの膜厚より厚いことを特徴としている。液晶素子２０は第１の基板における液晶層側の上に、半透過反射層７と、その上のパターンニング位相差層９と、その上にカラーフィルタ１３と保護膜８とを順次備え、さらに第１の電極３が形成されている第１の基板１と、第２の電極４が形成されている第２の基板２と、第１の基板１と第２の基板２を張り合わせるシール材５と、第１の基板１と第２の基板２に挟持されているツイスト配向しているネマチック液晶よりなる液晶層６とを有している。

さらに本発明の液晶表示装置は、液晶素子２０の視認側、つまり第２の基板に対して液晶層と反対側に、第１の偏光板１１を、液晶素子２０の下側、つまり第１の基板に対して液晶層と反対側に第２の偏光板１７を設け、バックライト１６で構成することができる。また、第２の基板の外側には散乱層１５を設けてもよい。液晶層６は、ねじれの無いホモジニアス配向モードであり、緑色の光の波長０．５５μｍの１／４波長相当である０．１４μｍの位相差値を持っている。

図２に示したように、第１の電極３と第２の電極４の交差した部分が画素となる。画素の中央部分には、半透過反射層７をフォトエッチングして形成した開口部７ａを設けてある。この開口部７ａの面積が大きいほど、バックライト点灯時の透過表示の明るさは明るくなるが、逆に、反射表示が暗くなってしまう。例えば、開口部７ａの面積を３０％とす
ると、この半透過反射層７は３０％程度の光を透過し、残りの７０％の光を反射することになる。

このように構成した液晶表示装置は、内在反射方式の半透過反射型液晶表示装置と呼ばれ、外光を用いた反射表示と、バックライト１６を用いた透過表示の両方が可能である。赤フィルタＲ、緑フィルタＧ、青フィルタＢの３色で構成するカラーフィルタ１３は、第２の電極４と平行な縦ストライプで形成してある。各カラーフィルタの幅は、第２の電極４の幅より広く形成し、２色が重なり、すきまが生じないようにしてある。カラーフィルタ１３の間にすきまが生じると、入射光が増加し、明るくはなるが、表示色に白の光が混色し、色純度が低下するので、好ましくない。また、各カラーフィルタの間に黒顔料を含む樹脂でブラックマトリクスを形成する場合もある。反射層が液晶素子内部にあり、視差が無いので、カラーフィルタの混色が無く、良好なカラー反射表示が得られる。

また、パターンニング位相差層９は、図３に示すように、半透過反射層の開口部７ａには存在せず、透過表示の時には位相差がゼロである。非開口部の位置だけに、パターンニング位相差層９を設けてあり、これは緑色の光の波長０．５５μｍの１／４波長相当である０．１４μｍの位相差を持っている。

ここで、半透過反射層７は、厚さ０．１５μのアルミニウム薄膜を用い、パターンニング位相差層９は、厚さ０．５μの感光性液晶ポリマーを用いた。従って、図４に示すように、半透過反射層の開口部７ａは、非開口部に対して０．６５μの段差が形成されている。その上面にカラーフィルタ１３をスピンナー法を用いて形成した。半透過反射層の開口部７ａの面積が、幅数十μ以下と小さいと、カラーフィルタ１３は段差を埋めて、上面が平坦になるように形成される。そのために、非開口部のカラーフィルタの膜厚１３ｂが１μで、開口部の膜厚１３ａが１．４μのカラーフィルタ１３が形成できる。

まず、反射表示について説明する。電圧無印加のオフ状態では、液晶層６の配向方向を、パターンニング位相差層９の遅相軸と直交して配置すると、液晶層６とパターンニング位相差層９の合計した位相差値は引き算されゼロとなる。外光は第１の偏光板１１から入射し、直線偏光となり、カラーフィルタ１３を透過し、パターンニング位相差層９に入る。パターンニング位相差層９と液晶層６を合計した位相差値はゼロであるので、入射光はそのまま半透過反射層７に到達する。半透過反射層７で、入射光の位相が１８０度回転するが、直線偏光の場合、回転前と等価であり、そのまま、再度、パターンニング位相差層９とカラーフィルタ１３と液晶層６を透過し、第１の偏光板１１を透過して白表示となる。

電圧を印加したオン状態では、液晶分子が立ち、液晶層６の位相差がほぼゼロとなる。第１の偏光板を透過した直線偏光は、液晶層の位相差がゼロであるのでそのまま透過するが、パターンニング位相差層の遅相軸を第１の偏光板に対して４５゜になるように配置すると、入射光は円偏光（例えば右回り）となる。半透過反射層で位相が１８０゜回転し、逆回りの円偏光（例えば左回り）となる。再度、パターンニング位相差層９を通過すると、入射時と直交した振動方向の直線偏光となり、そのまま液晶層６を透過し、第１の偏光板１１に吸収され、黒表示となる。

つぎに、バックライトを用いた透過表示について説明する。オフ状態では、バックライト１６から出た光は、第２の偏光板１７を通過し直線偏光となり、半透過反射層７の開口部７ａを透過する。半透過反射層の開口部７ａには、パターンニング位相差層９は形成されておらず、また液晶層６の位相差値が１／４波長相当であるので、円偏光となり第１の偏光板を透過し、白表示となる。液晶層に電圧を印加したオン状態では、液晶分子が立ち、液晶層の位相差値はゼロであるので、第２の偏光板１７から入った直線偏光は、そのま
まの状態で、第１の偏光板１１に到達する。第２の偏光板の透過軸を、第１の偏光板の透過軸と直交するように配置すると、第１の偏光板に吸収され、黒表示となり、ノ−マリ白モ−ドの液晶表示装置となる。

ここで、図４に示すように、反射表示で透過するカラーフィルタ膜厚１３ｂは１．０μと薄く明るいが、入射時と反射時の２回、カラーフィルタ１３を透過するので、充分な彩度が得られる。一方、透過表示で透過するカラーフィルタ膜厚１３ａは１．４μと厚いので、バックライトから出た光は、１回しかカラーフィルタ１３を透過しないが、良好な彩度が得られる。

また、バックライト１６から出た光で、半透過反射層７を透過できずに非開口部で反射した光は、そのまま、第２の偏光板１７を透過し、バックライト１６に到達する。バックライトの表面の拡散板やプリズムシートで、再度、反射し、第２の偏光板１７に戻る。この第２の偏光板を透過した光の一部が、今度は半透過反射層の開口部７ａを通過する。半透過反射層を透過できなかった光は再度、バックライトに戻る。この作用を繰り返す、いわゆるリサイクル効果により、明るい透過表示が得られる。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。 図１〜図５は本発明の実施例１を示す図である。図１は本実施例における液晶表示装置の構成要素を説明するための断面図で、図２は画素部を拡大した平面図で、図３はパターンニング位相差層の平面図で、図４は第１の基板の断面の拡大図で、図５は構成要素の配置関係示す平面図である。以下、図面を用いて、本発明の半透過反射型カラー液晶表示装置の構成を説明する。

本実施例の液晶表示装置は、図１に示すように、液晶素子２０と、液晶素子２０の上側に設けた第１の偏光板１１と、液晶素子２０の下側に設けた第２の偏光板１７と、バックライト１６により構成した。

第１の偏光板１１と液晶素子２０とは、アクリル系粘着剤に微粒子を混入してある粘着散乱層１５で貼り付けてある。また、第２の偏光板１７は液晶素子２０とアクリル系粘着剤で貼り付けた。

液晶素子２０は、アルミニウムからなる厚さ０．１５μｍの半透過反射層７と、液晶性ポリマーからなるパターンニング位相差層９と、赤フィルタＲ、緑フィルタＧ、青フィルタＢの３色からなる顔料分散タイプのカラーフィルタ１３と、アクリル系材料からなる厚さ２μｍの保護膜８と、透明電極材料であるＩＴＯで形成した厚さ０．２μｍの第１の電極３を備える厚さ０．５ｍｍのガラス板である第１の基板１と、ＩＴＯからなる厚さ０．２μｍの第２の電極４が形成されている厚さ０．５ｍｍのガラス板からなる第２の基板２と、第１の基板１と第２の基板２を張り合わせるシール材５と、第１の基板１と第２の基板２とに挟持されている、ねじれの無いホモジニアス配向のネマチック液晶からなる液晶層６とで構成した。

図２に示したように、第１の電極３と第２の電極４の交差した部分が画素となる。半透過反射層７には、画素のほぼ中央部に、長方形の開口部７ａをフォトエッチング工程により形成した。カラーフィルタ１３は、第２の電極４と平行で、で構成するカラーフィルタ１３は、第２の電極４と平行な縦ストライプで形成してある。各カラーフィルタの幅は、第２の電極４の幅より僅かに広く形成し、２色が重なり、すきまが生じないようにしてある。

つぎに、パターンニング位相差層９の製造方法について説明する。半透過反射層７を成
膜し、開口部を形成した第１の基板に、配向膜を印刷法またはスピンナー法で塗布し、所望の角度でラビングを行った。つぎに、この配向膜上に感光性の液晶性高分子モノマーをスピンナー−法で塗布し、等方性温度より高い８０〜１００゜Ｃに加熱し、徐々に冷却して液晶性高分子モノマーを配向させる。つぎに、フォトマスクを用いて、半透過反射層７の非開口部にだけＵＶ露光を行い、液晶性高分子モノマーをポリマー化させた。その後、有機系溶剤で現像し、非硬化の液晶性高分子モノマーを取り除くことで、図３に示したように、半透過反射層７の非開口部（反射部）のみに、厚さ約０．５μｍで位相差値０．１４μｍのパターンニング位相差層９を形成した。

図１に示すように、カラーフィルタ１３は、顔料を感光性樹脂に分散したカラ−レジストを、スピンナー−法を用いて、パターンニング位相差層９を形成した第１の基板全面に塗布し、仮焼成後、フォトマスクを用いて、１色目のカラーフィルタ部分だけＵＶ露光を行い、感光性樹脂をポリマー化させた。その後、有機系溶剤で現像し、本焼成して、１色目が完成する。この工程を３回繰り返すことで、ＲＧＢの３色のカラーフィルタが形成される。さらに、平坦性を改善するために、カラ−フィルタ１３の上に保護膜８をスピンナー−法を用いて塗布し、熱硬化させ、さらに、スパッタリング法によりＩＴＯを成膜した。

ここで、半透過反射層の開口部７ａの面積が、画素のピッチに比較的して充分小さいと、カラーフィルタ１３は段差を埋めて、上面が平坦になるように形成される。本実施例では、半透過反射層の開口部の面積は２０×７０μと細くし、画素ピッチ２１０μより充分に小さくしたので、図４に示したように、非開口部のカラーフィルタ膜厚１３ｂが１μで、開口部の膜厚１３ａが１．４μのカラーフィルタ１３が形成できた。

第１の偏光板１１と第２の偏光板１７は、なるべく明るく、かつ、偏光度が高いことが好ましく、本実施例では、透過率４５％で偏光度９９．９％の材料を使用した。第１の偏光板１１の表面に、屈折率の異なる無機薄膜を、真空蒸着法やスパッタ法で数層コートした反射率が０．５％程度の無反射層を設けることで、第１の偏光板１１の表面反射が低下することで透過率が改善し、明るくなり、また、黒レベルが低下することでコントラストも改善し、さらに好ましい。

バックライト１６は、光源として蛍光灯やＬＥＤを用い、光源からの光を導光板に入れて、導光板からの出射光を用いたものや、光源と反射板と拡散板等で構成した、光源で直接照明する方法や、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）板などの自発光型の平面光源を用いることが可能であるが、本実施例では厚さが約１ｍｍの導光板に、発光色が白色ＬＥＤ光源を取り付けた白色バックライトを用いた。

つぎに、各構成部材の配置関係を図５を用いて説明する。図５は、液晶素子２０と構成部材の配置関係を示す。第１の電極３と第２の電極４の表面には配向膜（図示せず）を形成し、図５に示すように、第１の基板１は、水平軸Ｈに対して、９０度方向にラビング処理することで、下液晶分子配向方向６ａは＋９０゜となり、第２の基板２も９０゜方向にラビング処理することで上液晶分子配向方向６ｂも＋９０゜となり、ねじれの無いホモジニアス配向の液晶素子２０を形成した。

使用するネマチック液晶の複屈折差Δｎは０．０８で、第１の基板１と第２の基板２のすきまであるセルギャップｄは１．７５μｍとした。従って、ネマチック液晶の複屈折差Δｎとセルギャップｄとの積で表す、液晶素子２０の複屈折性を示すΔｎｄ値は、０．１４μｍであり、１／４波長位相差板相当となる。

第１の偏光板の透過軸１１ａは、図５に示すように、水平軸Ｈを基準にして、＋４５゜
に配置する。液晶素子２０の下側に配置した、第２の偏光板１７の透過軸１７ａは、水平軸Ｈに対して−４５゜に配置し、第１の偏光板１１の透過軸１１ａと直交させた。パターンニング位相差層の遅相軸９ａは、水平軸Ｈと平行になるように形成した。従って、第１の偏光板の透過軸１１ａとの交差角は４５゜になり、位相差が最も発生しやすい配置になっている。

本実施例の液晶表示装置の反射モードと透過モードの動作原理については、既に説明したので省略する。つぎに、カラーフィルタの膜厚の効果について、再度、説明する。カラーフィルタの透過率は、カラーフィルタの吸光度に依存するため、カラーフィルタ膜厚の対数に逆比例する。従って、膜厚が厚いほど、透過率は低くなるが、色の濃さである彩度はよくなる。反射表示においては、入射光はカラーフィルタを２回透過するため、透過率が高いカラーフィルタが必用であり、一方、透過表示においては、バックライトから出た光は、カラーフィルタを一度しか透過しないので、透過率が低くても彩度の高いカラーフィルタが必用である。

本実施例では、パターンニング位相差層９の材料として、膜厚が０．５μの液晶性ポリマーを用い、また、従来例ではカラ−フィルタを第２の基板に形成していたが、本実施例では、カラーフィルタを第１の基板側にスピンナー法を用いて形成したことにより、追加工程無しで、半透過反射層の開口部のカラーフィルタ膜厚を、非開口部のカラーフィルタ膜厚より厚くすることができ、その結果、明るい反射表示と、高彩度の透過表示を両立することができた。

また、従来の内在反射方式の半透過反射型液晶表示装置は、第２の偏光板と半透過反射層の間に、１／４波長位相差板を備えるため、第２の偏光板から入射し、半透過反射層の非開口部で透過できずに反射した光は、１／４波長位相差板を２回透過する間に偏光方向が９０゜回転し、第２の偏光板に吸収されたが、本実施例では、１／４波長位相差板が第２の偏光板と半透過反射層の間に無いので、半透過反射層を透過できずに、第２の偏光板の方に反射された直線偏光は、入射光と同一方向の直線偏光のままで戻り、第２の偏光板を透過する。この透過した光がバックライト１６の表面で反射し、再度利用され、いわゆるリサイクル効果により、明るい透過表示が得られた。

このように、第１の偏光板１１と、パターンニング位相差層９と半透過反射層７とカラーフィルタ１３を第１の基板に内在した液晶素子２０と、第２の偏光板１２により、特別な追加工程を用いないで、明るい反射表示が得られ、かつ、明るく高彩度の透過表示が得られ、かつ、内在反射方式での反射表示であるため視差の無い半透過反射型カラー液晶表示装置を得られた。

本実施例では、厚さ０．５μのパターンニング位相差層９を用いたが、カラーフィルタの膜厚に対して３０％〜７０％程度の膜厚が適している。つまり、パターンニング位相差層の膜厚が薄すぎると、透過時の彩度があまり改善せず、逆に厚すぎると、完全に段差を埋めることができず、カラーフィルタの平坦性が低下し、セルギャップの均一性が低下する。それにより、透過表示のコントラストが低下したり、反射表示と透過表示の駆動電圧に差が発生する。カラーフィルタの膜厚として、半透過反射用のカラーフィルタの膜厚は、通常、０．８〜１．４μであるので、パターンニング位相差層９の膜厚は、０．２〜１．０μが適している。さらに、０．３〜０．６μであると、透過表示の彩度改善と、カラーフィルタの平坦性が両立し、より好ましい。

本実施例では、半透過反射層の開口部７ａを、２０×７０μの穴１個で形成したが、２０×３５μの穴を２個設けたり、あるいは１０×３５μの穴を４個設けた方が、カラーフィルタの平坦性が向上し、より好ましい。但し、この場合、半透過反射層のフォトリソ工
程で、エッチング精度が悪いと、開口部の７ａの面積が変動し、最終的な透過率も変動するので、注意が必要である。

本実施例では、液晶素子２０として、ねじれの無いホモジニアス配向の液晶素子を用いたが、実質的な位相差値が１／４波長相当であれば、７０゜ツイスト前後のＴＮモードや、１８０゜ツイスト〜２５０゜ツイストのＳＴＮモードの液晶素子を用いても、同様な半透過反射型カラー液晶表示装置が可能である。

本実施例では、散乱層１５を液晶素子２０の上側に配置したが、半透過反射層７に凸凹を設け、散乱性を持たせることで、散乱層１５を設けなくても、同様な半透過反射型カラ−液晶表示装置が提供することが可能である。また、保護膜８に散乱性を持たせた、散乱性保護膜としてもよい。

本実施例では、半透過反射層７として、アルミニウム薄膜を用いたが、アルミニウム合金や銀合金の薄膜や、反射率を改善するためや表面を保護するために、透明部を形成後、アルミニウムの表面に無機酸化物、例えば、ＳｉＯ２，ＴｉＯ２の多層膜を用いることも可能である。

つぎに、本発明における実施例２の半透過反射型カラー液晶表示装置の構成について説明する。本実施例の液晶表示装置は、第２の偏光板の外側に反射型偏光板を備えることが、実施例１の構成と異なっている。

本実施例における液晶表示装置の構成を、図面を用いて説明する。図６は本実施例の液晶表示装置の構成要素を説明するための断面図である。以下、図面を用いて、本発明の半透過反射型カラ−液晶表示装置の構成を説明する。

本実施例の半透過反射型カラ−液晶表示装置は、図６に示すように、液晶素子２０と、液晶素子２０の上側に設けた散乱層１５と、第１の偏光板１１と、液晶素子２０の下側に設けた第２の偏光板１７と、反射型偏光板１８とバックライト１６により構成した。第１の偏光板１１、第２の偏光板１７、バックライト１６は、実施例１と同一材料であり、液晶素子２０、および構成部材の配置関係も実施例１と同一である。反射型偏光板１８は、透過軸と反射軸を持ち、通常の吸収型偏光板と異なり、ほとんど光を吸収しない。本実施例では、この反射型偏光板として、屈折率の異なる材料の多層膜である３Ｍ社製、商品名Ｄ−ＢＥＦを、透過軸が第２の偏光板１７の透過軸と同一になるように配置した。

本実施例の動作原理についての説明は、基本的な動作について、実施例１と同一であるので省略する。つぎに、反射型偏光板１８の効果について説明する。光吸収がほとんど無い反射型偏光板１８を、第２の偏光板１７の外側に備えたことで、バックライト１６から出た光のうち、第２の偏光板の透過軸方向の光は透過するが、従来は吸収されていた第２の偏光板の吸収軸方向の光は、反射型偏光板１８の反射軸方向であるため、反射し、バックライト１６に戻る。バックライトの表面の拡散板やプリズムシートで再度、反射し、一部の光は偏光方向が回転し、反射型偏光板を透過する。このリサイクル効果により、通常の液晶表示装置でも、反射型偏光板を備えることで、明るい透過表示が得られる。

さらに、本実施例では、半透過反射層と第２の偏光板の間に、１／４波長位相差板が無いので、半透過反射層の非開口部で反射して、第２の偏光板を透過してバックライトに戻り、再度、反射した光も、反射型偏光板１８を備えることで、第２の偏光板１７に吸収されること無く、リサイクルの効率が向上し、さらに明るい透過表示が得られる。つまり、半透過反射層の非開口部を通過できず、バックライトへ戻ってきた光が、再度、液晶へ入
射されるが、反射型偏光板１８を備えることで、第２の偏光板１７に吸収されることを防止できるので、リサイクル効率が非常に高くなり、相乗効果が得られた。

このように、第１の偏光板１１と、半透過反射層７とパターンニング位相差層９とカラーフィルタ１３を第１の基板に内在した液晶素子２０と、第２の偏光板１７と反射型偏光板１８により、外光を用いる反射表示においては、明るいカラー表示が可能であり、外光が少ない環境ではバックライト１６を点灯し、高彩度で、さらに明るいカラー透過表示が得られる半透過反射型カラー液晶表示装置を得られた。

つぎに、本発明における実施例３の半透過反射型カラー液晶表示装置の構成について説明する。本実施例の液晶表示装置は、パターンニング位相差層を半透過反射層７の非開口部に対応する位置で、かつ半透過反射層と第１の基板１の間に備えることと、１／４波長位相差板を液晶素子と第２の偏光板の間に備えることが、実施例２の構成と異なっている。本実施例の構成を図７〜図９を用いて説明する。図７は本実施例の液晶表示装置の構成要素を説明するための断面図で、図８と図９は本実施例の配置関係を示す平面図ある。以下、図面を用いて、本発明の半透過反射型カラー液晶表示装置の構成を説明する。

本実施例の半透過反射型カラー液晶表示装置は、図７に示すように、液晶素子２１と、液晶素子２１の上側に設けた散乱層１５と、液晶ポリマー位相差板１２と、第１の偏光板１１と、液晶素子２１の下側に設けた１／４波長位相差板１４と、第２の偏光板１７と、反射型偏光板１８と、バックライト１６により構成した。第１の偏光板１１、第２の偏光板１７、バックライト１６、反射型偏光板１８は、実施例２と同一材料である。

液晶素子２１は、パターンニング位相差層９と、アルミニウムからなる厚さ０．１５μｍの半透過反射層７と、赤フィルタＲ、緑フィルタＧ、青フィルタＢの３色で構成するカラーフィルタ１３と、アクリル系材料からなる厚さ２μｍの保護膜８と、ＩＴＯからなる厚さ０．２μｍの第１の電極３とを形成した厚さ０．５ｍｍのガラス板からなる第１の基板１と、ＩＴＯからなる厚さ０．２μｍの第２の電極４が形成されている厚さ０．５ｍｍのガラス板からなる第２の基板２と、第１の基板１と第２の基板２を張り合わせるシール材５と、第１の基板１と第２の基板２とに挟持されている、左回り２４０゜ツイスト配向のネマチック液晶からなる液晶層６とで形成した。

液晶ポリマー位相差板１２はねじれ構造を持つ液晶性高分子ポリマーを、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）フィルムやポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムに配向処理してから塗布し、１５０゜Ｃ程度の高温で、液晶状態にして、ツイスト角を調整後、室温まで急冷して、そのねじれ状態を固定化したフィルムを用いた。

あるいは、配向用フィルムに配向処理を施し、液晶性高分子ポリマーを塗布し、ねじれ状態を固定後、別に用意したＴＡＣフィルムに、液晶性高分子ポリマーを配向用フィルムから転写して形成したフィルムを用いても構わない。本実施例では、ツイスト角１８０゜で、液晶ポリマーの複屈折差Δｎと液晶ポリマー層の厚さｄの積であるΔｎｄ値は０．７３μｍである右回りの液晶ポリマー位相差板１２を用いた。

１／４波長位相差板１４は、位相差値０．１４μｍで、緑色の波長である０．５５μｍの約１／４波長相当としてある。液晶素子２１に用いたネマチック液晶の複屈折差Δｎは０．１５で、第１の基板１と第２の基板２のすきまであるセルギャップｄは５．６μｍであり、従って、ネマチック液晶の複屈折差Δｎとセルギャップｄとの積で表す、液晶素子２１の複屈折性を示すΔｎｄ値は、０．８４μｍである。

パターンニング位相差層９の製造方法は、実施例１と同一であるので省略する。但し、パターンニング位相差層９を形成後、その上に半透過反射層であるアルミニウムやアルミニウム合金を成膜し、その際に、熱がかかるため、なるべく耐熱性の良好な材料を選定する必用がある。本実施例では、液晶性高分子ポリマーの相転移温度が１２０゜Ｃと高い材料を選定し、かつ、アルミニウムを低温スパッタリング法で形成した。

つぎに、各構成部材の配置関係を図８と図９を用いて説明する。図８は、液晶素子２１と液晶素子２１の下側に配置する構成部材の配置関係を示し、図９は、液晶素子２１の上側に配置する構成部材の配置関係を示す。第１の電極３と第２の電極４の表面には配向膜（図示せず）を形成し、図８に示すように、第１の基板１は、水平軸Ｈに対して、右上がり３０方向にラビング処理することで、下液晶分子配向方向６ａは＋３０゜となり、第２の基板２は右下がり３０゜方向にラビング処理することで上液晶分子配向方向６ｂは−３０゜となる。粘度２０ｃｐのネマチック液晶には、カイラル材と呼ぶ旋回性物質を添加し、ねじれピッチＰを１１μｍに調整し、左回りでツイスト角２４０゜ツイストのＳＴＮモードの液晶素子２１を形成した。

第１の偏光板の透過軸１１ａは、図９に示すように、水平軸Ｈを基準にして、−５０゜に、配置する。液晶ポリマー位相差板１２の下分子配向方向１２ａと上分子配向方向１２ｂは、どちらも水平軸Ｈを基準にして＋６０゜に配置し、右回りでツイスト角１８０゜となる。このような条件の液晶ポリマー位相差板を設けることにより、液晶ポリマー位相差板１２と液晶層６を合成した複屈折性が約１／４波長相当になるように設定することができる。

第２の偏光板の透過軸１７ａは、図８に示したように、水平軸Ｈに対して平行に配置し、パターンニング位相差層の遅相軸９ａは、水平軸Ｈに対して、−４５゜になるように形成し、１／４波長位相差板の遅相軸１４ａは、パターンニング位相差層の遅相軸９ａと直交するように、水平軸Ｈに対して＋４５に配置した。

つぎに、本実施例の動作原理について図７を用いて説明する。反射表示においては、第１の従来例と全く同様に作用する。電圧無印加状態のオフ状態では、液晶ポリマー位相差板と液晶層６の合成した位相差値が１／４波長相当となっているので、入射光は円偏光となって半透過反射層７に到達し、位相が１８０゜回転して逆回転の円偏光となって反射し、再度、液晶層６と液晶ポリマー位相差板１２を透過することで、入射光と直交した直線偏光となり、第１の偏光板に吸収され、黒表示が得られる。電圧を印加したオン状態では、液晶素子のΔｎｄ値が減少し、液晶ポリマー位相差板１２と液晶層６を合成した複屈折性がほぼゼロになるため、第１の偏光板を透過した入射光は、直線偏光のまま、半透過反射層７に到達し、そのまま入射光と平行な直線偏光で、第１の偏光板１１に戻ってくるため、白表示となり、良好なコントラストの反射表示が可能である。

透過表示においても、パターンニング位相差層９が形成されていない半透過反射層の開口部７ａでは、第１の従来例と同様に動作する。バックライト１６から出た光は、反射型偏光板１８を透過し、第２の偏光板１７と１／４波長位相差板１４により円偏光となる。この円偏光の回転方向が、第１の偏光板から入射し、液晶ポリマー位相差板１２と液晶素子２１を透過した円偏光と逆回転になるように配置してあるので、電圧を印加していないオフ状態では、液晶ポリマー位相差板１２を透過した光は第１の偏光板の透過軸に直交した直線偏光に戻り、透過光は第１の偏光板１１に吸収され、黒表示となる。電圧を印加したオン状態では、液晶ポリマー位相差板１２と液晶層６を合成した複屈折性がほぼセロになるため、１／４波長位相差板１４から出た円偏光のままで第１の偏光板１１へ到達し、白表示となり、ノーマリ黒モードの液晶表示装置となる。

しかし、半透過反射層の非開口部と第１の基板１との間に、パターンニング位相差層９を備え、かつ、図８に示すように、１／４波長位相差板１４の遅相軸１４ａとパターンニング位相差層の遅相軸９ａは直交し、位相差を打ち消すように配置されているので、合計した位相差はゼロである。従って、第２の偏光板から入射した直線偏光は、１／４波長位相差板１４とパターンニング位相差層９透過しても、偏光状態は変化せず、そのままの形で半透過反射層７に到達する。半透過反射層の非開口部で反射した光は、再度、パターンニング位相差層９と１／４波長位相差板１４、第２の偏光板１７、反射型偏光板１８を透過し、バックライト１６に戻る。

バックライト１６に戻った光は、再度、バックライト表面で反射し、リサイクル効果により、従来より非常に明るい透過表示が得られる。さらに、実施例２と同様に、半透過反射層の開口部７ａのカラ−フィルタの膜厚１３ａが、非開口部のカラーフィルタの膜厚１３ｂより厚いため、明るい反射表示と、高彩度の透過表示を両立できた。

このように、第１の偏光板１１と液晶ポリマー位相差板１２と、パターンニング位相差層９と半透過反射層７とカラ−フィルタ１３を第１の基板に内在した液晶素子２１と、１／４波長位相差板１４と第２の偏光板１７と反射型偏光板１８により、高彩度で、明るい透過表示が得られ、かつ、明るい反射表示も可能である半透過反射型カラー液晶表示装置を提供できた。

なお、本実施例では、液晶素子２１と第１の偏光板１１の間に、液晶ポリマー位相差板１２を備えたが、１枚あるいは複数枚の１軸延伸した位相差板を用いることも可能である。あるいは、実施例１のように、液晶素子２１と第１の偏光板１１の間に、１枚も位相差板を備え無いことも可能である。

また、本実施例では、液晶素子２１として、２４０゜ツイストのＳＴＮ液晶を用いたが、１８０゜〜２５０゜ツイストのＳＴＮ液晶素子、７０゜〜１００゜ツイストのＴＮ液晶素子、ねじれの無いホモジニアス配向液晶素子、垂直配向のホメオトロピック液晶素子でも同様な効果が得られる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、パターンニング位相差層とカラーフィルタを第１の基板に備えることで、パターンニング位相差層を形成する工程のみで、他に追加の工程を設けず、明るい反射表示が得られ、透過表示の彩度を大幅に改善し、かつ、リサイクル効果により明るい透過表示が得られる内在反射方式の半透過反射型カラー液晶表示装置を提供できる。

本発明の実施例１における半透過反射型カラー液晶表示装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施例１における半透過反射型カラー液晶表示装置の画素部を拡大した平面図である。 本発明の実施例１における半透過反射型カラー液晶表示装置のパターンニング位相差層を拡大した平面図である。 本発明の実施例１における半透過反射型カラー液晶表示装置の第１の基板の断面図である。 本発明の実施例１における半透過反射型カラー液晶表示装置の配置関係を示す平面図である。 本発明の実施例２における半透過反射型カラー液晶表示装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施例３における半透過反射型カラー液晶表示装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施例３における半透過反射型カラー液晶表示装置の配置関係を示す平面図である。 本発明の実施例３における半透過反射型カラー液晶表示装置の配置関係を示す平面図である。 従来の内在反射方式の半透過反射型液晶表示装置の構成を示す断面図である。 従来のパターンニング位相差層を備えた半透過反射型カラー液晶表示装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 第１の基板
２ 第２の基板
３ 第１の電極
４ 第２の電極
５ シール材
６ 液晶層
６ａ 下液晶分子配向方向
６ｂ 上液晶分子配向方向
７ 半透過反射層
７ａ 半透過反射層の開口部
８ 保護膜
９ パターンニング位相差層
９ａ パターンニング位相差層の遅相軸
１１ 第１の偏光板
１１ａ 第１の偏光板の透過軸
１２ 液晶ポリマー位相差板
１２ａ 液晶ポリマー位相差板の下分子配向方向
１２ｂ 液晶ポリマー位相差板の上分子配向方向
１３ カラ−フィルタ
１４ １／４波長位相差板
１５ 散乱層
１６ バックライト
１７ 第２の偏光板
１７ａ 第２の偏光板の透過軸
１８ 反射型偏光板
２０、２１、３０、３１ 液晶素子
Ｒ 赤フィルタ
Ｇ 緑フィルタ
Ｂ 青フィルタ

Claims (5)

1. 第１の基板と第２の基板間に液晶層を挟持した液晶素子とを備え、前記第２の基板に対して液晶層と反対側には第１の偏光板を配置し、前記第１の基板に対して、液晶層と反対側には第２の偏光板を配置し、前記液晶素子の第１の基板の液晶層側には、部分的に開口部を設けた半透過反射層と、該半透過反射層の開口部を除く非開口部の位置に設けたパターンニング位相差層とを順次配置し、前記パターンニング位相差層の液晶層側であり、かつ前記半透過反射層の非開口部に対応する位置と、前記半透過反射層の開口部に対応する位置との各々にカラーフィルタを備え、半透過反射層の開口部に対応する位置のカラーフィルタの膜厚が、半透過反射層の非開口部に対応する位置のカラーフィルタの膜厚より厚くなっていることを特徴とする半透過反射型カラー液晶表示装置。
2. 第１の基板と第２の基板間に液晶を挟持した液晶素子とを備え、前記第２の基板に対して液晶層と反対側には第１の偏光板を配置し、前記第１の基板に対して、液晶層と反対側には第２の偏光板を配置し、該液晶素子の第１の基板の液晶層側には、部分的に開口部を設けた半透過反射層と、該半透過反射層の開口部を除く非開口部の位置で、前記第１の基板と前記半透過反射層との間にパターンニング位相差層とを設け、前記半透過反射層の開口部に対応する位置と、前記半透過反射層の非開口部に対応する位置との各々にカラーフィルタを備え、前記第１の基板と前記第２の偏光板との間に１／４波長位相差板を備え、かつ、前記半透過反射層の開口部に対応するカラーフィルタの膜厚が、前記半透過反射層の非開口部に対応するカラーフィルタの膜厚より厚くなっていることを特徴とする半透過反射型カラー液晶表示装置。
3. 前記第２の基板の外側に散乱層を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半透過反射型カラー液晶表示装置。
4. 前記第２の偏光板の外側に、第２の偏光板の透過軸とほぼ平行な透過軸を有する反射型偏光板を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半透過反射型カラー液晶表示装置。
5. 前記パターンニング位相差層の膜厚として、０．２〜１．０ミクロン、好ましくは、０．３〜０．６ミクロンの材料を用いることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半透過反射型カラー液晶表示装置。

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