JP2006058704A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
画像表示と背景を同時に視認できる液晶表示装置を提供する。
【解決手段】
液晶表示パネル２０の視認側に、直線偏光板１１、１／４λ波長板１２及びフロントライトユニット３０が配置されている。液晶表示パネル２０の背面側には、入射光の一部を反射し一部を透過する反射・透過層４０が形成されている。フロントライトユニット３０からの光及び視認側からの外光は、反射・透過層によって反射され、液晶表示パネルによる画像表示に使用される。背面側からの外光の一部は反射・透過層４０を透過し、さらに、液晶表示パネルなどを透過して視認側に出射する。これによって、液晶表示装置１の背面側の背景が視認される。
【選択図】 図１

Description

本発明は液晶表示装置に関し、特に、表示画像と背面側の透過背景が視認される液晶表示装置に関する。

パーソナルコンピュータ、その他各種モニタ用の画像表示装置として、あるいは、携帯電話の表示画面やカーナビゲーションシステムの表示画面など、液晶表示装置の普及は目覚しいものがある。液晶表示装置としては様々なタイプのものが知られており、透過型液晶表示装置、反射型液晶表示装置、あるいは半透過半反射型液晶表示装置などが知られている。

透過型液晶表示装置は背面側からの透過光を使用して画像表示を行う。液晶表示パネルと、その背面に配置されたバックライトユニットとを有する。液晶表示パネルは、その透過光を制御することにより画像表示を行う。液晶表示パネルは、２枚のガラス基板の間に液晶を封入し、液晶に印加する電界を制御することによって、透過光量を制御することができる。液晶表示パネルはTN（Twisted Nematic）やSTN（Super Twisted Nematic）などのモードが知られている。バックライトユニットは、典型的には、光源とその光源の光を効果的に液晶表示パネルに出射するために、複数の光学部材を有している。

反射型液晶表示装置は、視認側から入射した光を反射層により反射し、この反射光を使用して画像表示を行う。反射型液晶表示装置として、液晶表示パネルの基板外面に反射層を形成し、液晶層を挟むように２枚の直線偏光板を使用する２枚直線偏光板タイプが知られている。また、１枚直線偏光板タイプの反射型液晶表示装置も知られている。１枚直線偏光板タイプの反射型液晶表示装置は、液晶層の視認側にのみ直線偏光板を備え、液晶表示パネルの内部に反射層が形成されている。これによって、２枚直線偏光板タイプよりも、明るさや視差の点で優れた表示特性を実現することができる。液晶表示パネルはTN（Twisted Nematic）やSTN（Super Twisted Nematic）などのモードを使用することができる。

透過型液晶表示装置と反射型液晶表示装置の特性を併せ持つ表示装置として、半透過半反射型の液晶表示装置が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。半透過半反射型の液晶表示装置は、液晶層の背面側に形成された半透過半反射層を備えている。明るい場所では、半透過半反射層が反射した外光を利用することによって、見やすい表示と消費電力低減を実現することができる。一方、暗い場所では、半透過半反射層を透過して液晶層に入射するバックライトユニットからの光を使用することによって、品質の優れた画像を表示することができる。

特開２００３−３４４８４７号公報

上記のように液晶表示装置としては様々なタイプのものが知られているが、液晶表示装置の特性を利用して、画像表示を行うと共に背景を視認することができる液晶表示装置が要求されるケースがある。このような液晶表示装置においては、表示画像と背景が同時に視認されうるため、これら双方がバランスを保って観察者に明確に視認されることが必要とされる。背景を視認するためには、従来の反射型液晶表示装置を使用することができない。

一方、従来の透過型もしくは半反射半透過型の液晶表示装置はバックライトユニットを備えており背景を視認することはできない。あるいは、液晶層を挟むように２枚の直線偏光板を備えているため、光は２枚の直線偏光板を透過し、透過率の高い直線偏光板を使用したとしても光の透過率が大きく低下する。このため、表示画像及び背景を明確に視認するために十分な透過光量を得ることができない。

本発明は上記のような事情を背景としてなされたものであって、本発明の一つの目的は、表示画像と背面側の透過背景を視認することができる液晶表示装置を提供することである。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるだろう。

本発明の第１の態様に係る液晶表示装置は、第１の透明基板と、前記第１の透明基板に対向して配置された第２の透明基板と、前記第１の透明基板及び前記第２の透明基板の間に封入された液晶層と、前記液晶層の視認側に配置された直線偏光子と、前記液晶層の反視認側に配置され、前記視認側からの光の一部を反射し、前記反視認側からの光の一部を透過する反射・透過層と、を備え、前記反視認側の背景は前記反視認側から前記反射・透過層を透過して前記液晶層に入射する自然光により視認され、かつ表示画像は前記反射・透過層の反射光により視認される。これによって、表示画像と背景とを明確に視認することができる。ここで、自然光は、色々な方向の振動面をもった波が均一に混合した光のことである。

前記反射・透過層は、前記視認側からの光を反射する反射部と前記反視認側からの光が透過する透過部を備えていることが好ましい。これによって反視認側からの透過光を効率的に使用することができる。前記反射・透過層の反射部は散乱反射することが好ましい。これによって、反射光による表示画像品質を向上することができる。

前記反射部は、互いに離間して形成された複数の反射素子を備え、前記透過部は前記反射素子間に形成されている開口を備えていることが好ましい。これによって、反視認側からの透過光をさらに有効に利用することができる。また、前記反射・透過層における透過面積の比率は５０〜７０％であることが好ましい。これによって、表示画像と背景がバランスよく明確に視認される。前記反射部は粗面化された金属層で形成されていることが好ましい。これによって反射光の光量を上げ、表示品質を向上することができる。

前記反射部は互いに離間して形成された複数の円形反射素子を備えていることが好ましい。これによって、表示画像の視認性を向上することができる。あるいは、前記反射部は互いに離間して形成された複数の反射素子を備え、前記複数の反射素子のそれぞれは一つの画素領域内に包含されていることが好ましい。

また、前記第１及び第２の透明基板よりも視認側に配置されたフロントライトユニットを備えることが好ましい。これによって、暗い場所においても画像表示を行うことができる。

本発明によれば、表示画像と背面側の背景を視認することができる液晶表示装置を提供することができる。

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化がなされている。尚、各図面において、同一要素には同一の符号を付しており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明を省略する。

図１は、本実施形態における液晶表示装置１の構成の概略を示す模式図である。液晶表示装置１は反射光を使用して画像表示を行うと共に、背面からの光の一部を透過する。このため、観察者は、表示画像と共に液晶表示装置１の背面側の背景を視認することができる。背景は表示画像の有無に関わらず視認することができ、車載用の表示装置などの様々な用途に使用することが可能である。

図１（ａ）に示すように、液晶表示装置１は、画像表示を行う液晶表示パネル２０と、液晶表示パネル２０の視認側に配置されたフロントライトユニット３０を備えている。液晶表示パネル２０は、様々なタイプのものを使用することができる。例えば、スイッチ素子を有するアクティブタイブの液晶表示装置、パッシブタイプの液晶表示装置のいずれを使用することもできる。また、TN（Twisted Nematic）モード、STN（Super Twisted Nematic）モードのいずれのモードの液晶表示パネルを使用することが可能である。

フロントライトユニット３０は、LEDや冷陰極管などの光源３１と光源３１からの光を導き拡散する導光板３２を備えている。この他、必要な光学シートを備えることができる。尚、暗いところでの表示を可能とするためにフロントライトユニット３０を備えることが好ましいが、外光が利用できる場合においては、フロントライトユニット３０を必ずしも必要とされない。

液晶表示パネル２０とフロントライトユニット３０の間には、直線偏光板１１と光学補償板１２が配置されている。直線偏光板１１は、入射した光の内、直線偏光板１１の透過軸方向に平行な直線偏光成分のみを透過し他の光成分を吸収する。光学補償板１２としてはλ／４波長板を使用することが好ましく、以下では光学補償板１２をλ／４波長板として説明する。

液晶表示パネル２０の背面側（反視認側）には反射・透過層４０が形成されている。反射・透過層４０は入射した光の一部を反射し、一部を透過する。図１（ｂ）は、背面側から見た液晶表示装置１の平面図であり、反射・透過層４０のパターンの一例を模式的に示している。反射・透過層４０は互いに離間して配置された複数の反射素子４１と、反射素子４１間に形成されている開口４２から構成されている。反射素子４１は、パターンニングもしくは印刷などによって形成することができる。反射素子４１は、好ましくは、視認側からの入射光を散乱反射する。例えば、白色インクによって反射素子４１を形成すること、あるいは、さらに好ましくは、反射表面が粗面化された反射金属層（銀やアルミニウムなど）によって反射素子４１を形成することによって、入射光を散乱反射する反射・透過層４０を形成することができる。

フロントライトユニット３０からの光あるいは外光は、直線偏光板１１とλ／４波長板１２を介して液晶表示パネル２０に入射し、さらに、液晶表示パネル２０を透過した光の一部が反射素子４１によって反射される。反射光は、液晶表示パネル２０、直線偏光板１１及びλ／４波長板１２を介して視認側に出射し、観察者に表示画像が視認される。

液晶表示装置１の背面側には直線偏光板が配置されていない。直線偏光板を使用しないため、背面からの光を有効に利用することができる。背景を明確に視認することができるように、自然光である背面からの外光は、特定の偏光成分のみを透過する光学フィルムを介することなく反射・透過層４０に入射するように構成されることが好ましい。自然光としては、色々な方向の振動面をもった波が均一に混合した光であることが重要であり、太陽光などの天然の光でもよいし、ＬＥＤや冷陰極管などから発光される人工光であってもよい。反視認側からの入射光の一部は開口部４２を透過し、さらに、液晶表示パネル２０、λ／４波長板１２及び直線偏光板１１を透過して視認側に出射する。これによって、観察者は液晶表示装置１の背面側の背景を視認することができる。

図２は、液晶表示パネル２０のより詳細な構成を説明する模式図であり、液晶表示パネル２０、反射素子４１（反射・透過層４０）、直線偏光板１１及びλ／４波長板１２が示されている。図２は液晶表示パネル２０の一例として、TNモードのＴＦＴ液晶表示パネルの一部の構成を例示している。図２に示すように、液晶表示パネル２０は、ＴＦＴ２１３のアレイ回路が形成されるアレイ基板２０１と、アレイ基板２０１に対向して配置され、対向基板２０２とを有している。アレイ基板２０１と対向基板２０２とは、複数の画素から形成される表示領域の外側である外周領域に形成されるシール部材２０３によって接着固定されている。

アレイ基板２０１と対向基板２０２との間は、ビーズスペーサや柱状スペーサによって、所定間隔になるように維持されている。２つの基板２０１、２０２の間には、液晶層２２０が封入されている。液晶層２２０は、シール部材２０３によって基板２０１、２０２を固着した後、シール部材に形成された注入口から真空注入によって基板２０１、２０２の間に注入される。シール部材の注入口は、液晶注入後に封止材によって封止される。

対向基板２０２は、背面側（反視認側）にガラスもしくは樹脂によって形成される背面側透明基板２０４を有している。背面側透明基板２０４の外側表面には反射素子４１（反射・透過層４０）が形成されている。画素が形成される画素領域の周囲には、樹脂もしくはクロムなどで形成されるブラックマトリックス層２０７が形成されている。ブラックマトリックス層２０７は、コントラストの向上やＴＦＴ２１３のアモルファスシリコンへの光の照射を防止する。

ブラックマトリックス層２０７の上には、透明保護層２０８が形成されている。さらに、透明保護層２０８の上に、液晶に電界を印加する共通電極として機能する透明電極層である、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）電極層２０９が形成されている。ＩＴＯ電極層２０９は、基板内側において連続する単一層として形成されている。ＩＴＯ電極層２０９上には、液晶の配列と傾きを制御する配向膜２１０が形成されている。配向膜２１０は、典型的には、ポリイミド層をラビング処理することによって形成される。

アレイ基板２０１は、ガラスもしくは樹脂材料によって形成される前面側（視認側）透明基板２１１を有している。前面側透明基板２１１の外側表面上には、１／４λ波長板１２及び直線偏光板１１が配置されている。前面側透明基板２１１の内側表面には、アレイ回路が形成されている。アレイ回路は、スイッチ素子としてのＴＦＴ２１３及び液晶に電界を印加する画素電極２１４を有している。ＴＦＴ２１３は、アモルファスシリコンもしくはポリシリコンを使用して形成することができる。

画素電極２１４は、共通電極と同様に、ＩＴＯで形成される。ＴＦＴ２１３及び画素電極２１４は画素毎に形成され、ドライバＩＣらの制御信号及び表示信号に従って、選択された画素電極２１４が、ＩＴＯ電極層２０９との間において液晶に表示電界を印加する。アレイ回路上には、液晶の配列と傾きを制御する配向膜２１５が形成されている。

尚、図１及び図２においては反射・透過層４０は背面側透明基板２０４（液晶表示パネル２０）の外側に形成されているが、反射・透過層４０を背面側透明基板２０４の内面側に形成することも可能である。あるいは、画素電極２１４を全反射金属層で形成し、画素電極２１４に開口部を形成することによって、反射・透過層４０として機能させることも可能である。又、直線偏光板１１やλ／４波長板１２を、前面側透明基板２１１の内側に形成することも可能である。

図３を参照して、液晶表示装置１による表示動作について詳細を説明する。図３（ａ）は液晶表示パネル２０の電界がＯＦＦの状態にある液晶表示装置１を示している。図３（ｂ）は液晶表示パネル２０の電界がＯＮの状態にある液晶表示装置１を示している。図３（ａ）に示すように、液晶表示パネル２０の電界がＯＦＦの状態にある場合、反射・透過層４０によって反射された光は直線偏光板１１を透過し、視認側に出射する（白表示）。背面側（反視認側）からの光も同様に直線偏光板１１を透過して視認側に出射し、背景が視認される。

一方、液晶表示パネル２０の電界がＯＮの状態にある場合、図３（ｂ）に示すように、反射・透過層４０によって反射された光は直線偏光板１１を透過することができずに直線偏光板１１に吸収される（黒表示）。背面側（反視認側）からの光は直線偏光板１１を透過して視認側に出射し、背景が視認される。このように、液晶層２２０への電界を変化させることによって反射光の透過光量を制御し、所望の画像表示を行うことができる。

続いて、図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照して、反射光及び透過光の光伝播について詳細に説明する。まず、図３（ａ）を参照して、液晶表示パネル２０の電界がＯＦＦのである白表示の状態について説明する。外光もしくはフロントライトユニット３０からの自然光が、視認側から直線偏光板１１に入射する。入射光の内、直線偏光板１１の透過軸方向に平行な直線偏光成分のみが、直線偏光板１１を透過する。図３（ａ）の例においては、紙面と平行な方向の直線偏光のみが、直線偏光板１１を透過し、直線偏光板１１は他の成分の光を透過せずに吸収する。

直線偏光板１１を透過した直線偏光は、λ／４波長板１２によって円偏光に変換され、液晶表示パネル２０に入射する。詳細には、円偏光は前面側透明基板２１１を透過し、液晶層２２０に入射する。液晶層２２０及び背面側透明基板２０４を透過した光の一部は、反射・透過層４０の反射素子４１に反射される。反射光は、再び背面側透明基板２０４及び液晶層２２０を透過し、λ／４波長板１２に入射する。ここで、液晶層２２０の位相差（リタデーション）は、λ／４波長板１２と同じとなるように設定されている。このため、液晶層２２０を往復する間に光は位相がλ／２ずれることになり、入射光と同一方向に回転する円偏光となる。

λ／４波長板１２に入射した円偏光は直線偏光に変換される。偏光方向（偏光の振動方向）は、入射光と同様に紙面に平行な方向である。言い換えれば、λ／４波長板１２の往復によって位相がλ／２ずれ、液晶層２２０の往復によってさらに位相がλ／２ずれる。合計の位相ずれがλとなるため、結果として位相ずれがないことになる。このため、λ／４波長板１２によって直線偏光となった反射光は直線偏光板１１を透過し、視認側に出射する（白表示）。

一方、背面側から入射する自然光の一部は反射・透過層４０の開口４２を透過し、液晶表示パネル２０及びλ／４波長板１２を介して直線偏光板１１に入射する。入射光の内、直線偏光板１１の透過軸方向に平行な直線偏光成分のみが直線偏光板１１を透過し、観察者に背景が視認される。

次に、図３（ｂ）を参照して、液晶表示パネル２０の電界がＯNのである黒表示の状態について説明する。外光もしくはフロントライトユニット３０からの光が、視認側から直線偏光板１１に入射する。入射光の内、直線偏光板１１の透過軸方向に平行な直線偏光成分のみが、直線偏光板１１を透過する。図３（ｂ）の例においては、紙面と平行な方向の直線偏光のみが、直線偏光板１１を透過し、直線偏光板１１は他の成分の光を透過せずに吸収する。

直線偏光板１１を透過した直線偏光は、λ／４波長板１２によって円偏光に変換され、液晶表示パネル２０に入射する。円偏光は前面側透明基板２１１を透過し、液晶層２２０に入射する。液晶層２２０及び背面側透明基板２０４を透過した光の一部は、反射・透過層４０の反射素子４１に反射される。反射光は、再び背面側透明基板２０４及び液晶層２２０を透過し、λ／４波長板１２に入射する。液晶層２２０には電界が印加されているため、液晶層２２０によって位相ずれは生じない。このため、液晶表示パネル２０を透過した反射光は、入射光と逆方向に回転する円偏光となる。

λ／４波長板１２に入射した円偏光は直線偏光に変換される。偏光方向（偏光の振動方向）は、入射光と９０°異なり、紙面に垂直な方向である。λ／４波長板１２の往復によって位相がλ／２ずれる。これは直線変更の偏光方向が９０°回転することを意味する。このため、λ／４波長板１２によって直線偏光となった反射光は直線偏光板１１を透過することができず、直線偏光板１１に吸収される（黒表示）。

一方、背面側からの透過光は白表示の状態と同様である。つまり、自然光の一部は反射・透過層４０の開口４２を透過し、液晶表示パネル２０及びλ／４波長板１２を介して直線偏光板１１に入射する。入射光の内、直線偏光板１１の透過軸方向に平行な直線偏光成分のみが直線偏光板１１を透過し、観察者に背景が視認される。尚、本発明は上記例に限定されるものではなく、液晶層のリタデーション、光学フィルムの特性やその使用、不使用は、設計によって適切なものとすることができる。例えば、液晶表示装置をニュートラルブラックとすることも可能である。

図４は、反射・透過層４０のパターンと表示画像の関係を示す模式図である。図４（ａ）は、反射素子４１によって反射された光を使用して、「A」の文字を表示する例を示している。「A」の文字は黒表示によって示されている。開口４２からは、液晶表示装置１の背面側の背景が視認される。図４においては、反射・透過層４０は互いに離間して形成された複数の反射素子４１を備えている。各反射素子４１は円形となるように形成され、複数の反射素子４１はマトリックス状に配置されている。複数の反射素子４１からの反射光を選択的に透過、遮蔽することによって所望の画像表示を行うことができる。

画像表示と背景をバランスよく明確に視認することができるように、反射・透過層４０における反射部と透過部の比率を適切な値に設定することが重要である。発明者らが検討したところによれば、反射・透過層４０の全面積に対する透過面積（透過部の面積）の比率は、５０〜７０％であることが好ましい。

また、上記のように、円形は各反射素子４１の形状として好ましい態様の一つである。各反射素子４１を円形とすることによって、表示画像の視認性を高めることができる。尚、反射素子４１は円形に限らず、特定の形状の反射素子４１を形成することができる。例えば、所定のキャラクタや図形の反射素子４１を形成することによって、容易な制御で所定の画像を表示することができる。

ここで、図４（ｂ）に示すように、各反射素子４１は、液晶表示パネル２０の一つの画素６１に包含されるように形成されることが好ましい。つまり、各反射素子４１は一つの画素６１と重なり、２以上の画素にまたがることがない。一つの画素領域に反射部と透過部が形成されることになる。これによって、容易な表示制御によって画像表示を行うことができる。尚、一つの画素６１には、複数の反射素子４１が包含されることができる。ここで、画素は一つの表示単位であって、通常の矩形画素の他、所望の形状で形成することができる。

上記のように、本実施形態によれば、液晶表示パネルを使用した画像表示を行うことができると同時に、液晶表示装置の背面側の背景を同時に視認することが可能となる。

本実施形態に係る液晶表示装置の構成を模式的に示す構成図である。 本実施形態に係る液晶表示パネルの構成を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る液晶表示装置の表示動作を説明する図である。 本実施形態に係る液晶表示装置の反射・透過層及び表示画像の一例を示す図である。

符号の説明

１ 液晶表示装置、１１ 直線偏光板、１２ １／４λ波長板、
２０ 液晶表示パネル、３０ フロントライトユニット、３１ 光源、
３２ 導光板、４０ 反射・透過層、４１ 反射素子、４２ 開口、
２０１ アレイ基板、２０２ 対向基板、２０３ シール部材、
２０４ 背面側透明基板、２０７ ブラックマトリックス層、
２０８ 透明保護層、２０９ 電極層、２１０ 配向膜、
２１１ 前面側透明基板、２１３ ＴＦＴ、２１４ 画素電極、
２１５ 配向膜、２２０ 液晶層

Claims (9)

1. 第１の透明基板と、
   前記第１の透明基板に対向して配置された第２の透明基板と、
   前記第１の透明基板及び前記第２の透明基板の間に配置された液晶層と、
   前記液晶層の視認側に配置された直線偏光子と、
   前記液晶層の反視認側に配置され、前記視認側からの光の一部を反射し、前記反視認側からの光の一部を透過する反射・透過層と、を備え、
   前記反視認側の背景は前記反視認側から前記反射・透過層を透過して前記液晶層に入射する自然光により視認され、かつ表示画像は前記反射・透過層の反射光により視認される、
   液晶表示装置。
2. 前記反射・透過層は、前記視認側からの光を反射する反射部と前記反視認側からの光が透過する透過部を備えている、請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記反射・透過層の反射部は散乱反射する、請求項１又は２に記載の液晶表示装置。
4. 前記反射部は、互いに離間して形成された複数の反射素子を備え、前記透過部は前記反射素子間に形成されている開口を備えている、請求項１、２又は３に記載の液晶表示装置。
5. 前記反射・透過層における透過面積の比率は５０〜７０％である、請求項１、〜４のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
6. 前記反射部は粗面化された金属層で形成されている、請求項３に記載の液晶表示装置。
7. 前記反射部は互いに離間して形成された複数の円形反射素子を備えている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
8. 前記反射部は互いに離間して形成された複数の反射素子を備え、前記複数の反射素子のそれぞれは一つの画素領域内に包含されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
9. さらに、前記第１及び第２の透明基板よりも視認側に配置されたフロントライトユニットを備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の液晶表示装置。

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