JP2007010752A - カラー静止画表示素子及びカラー静止画表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で消費電力が少なく、鮮やかな画像を表示できるカラー静止画表示素子及びカラー静止画表示装置を提供する。
【解決手段】２つの透明電極３，５に挟まれ、可視光波長領域の光シャッターとなるコレステリック液晶層４と、前記光シャッターに対応して配置されるカラーフィルター２とを備える。可視光波長領域は、４５０〜６５０ｎｍである。コレステリック液晶層４は、複数のコレステリック液晶材料が積層されている。さらにバックライト装置を備え、バックライト装置とコレステリック液晶層の間に偏光板と１／４波長板を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、コレステリック液晶層を有するカラー静止画表示素子及びカラー静止画表示装置に関するものである。

従来、掲示や広告を目的とした画像表示には、ペインティングや印刷によるものや、ＣＲＴなどの発光型ディスプレイを用いたものなどがある。ここで、ペインティングや印刷によるものは、表示内容を変更しようとすると、その都度ペインティングや印刷により書き換える必要があり時間がかかり煩雑であった。

これに対して、ＣＲＴによるディスプレイは静止画も動画も表示でき掲示や広告の効果は大きいが、表示装置としては制御系も含めて大掛かりなものとなり、高価なものとなっていた。また、種々の液晶表示装置も提案されている（例えば、特許文献１参照。）が、画像保持のために薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）回路が必要であるとともに消費電力が大きかった。

このような状況下で、コレステリック液晶のメモリ特性を利用することにより、消費電力を低減しつつ静止画を表示することの可能な液晶表示装置が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。

特開２００４−２５８５１４号公報 特開２００１−１６６３４０号公報

しかしながら、これらの液晶表示装置ではバイアス電圧を印加し続けることなく表示内容を保持することは可能であるが、表示される画像の色の鮮やかさが十分なものではなかった。

本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、簡単な構造で消費電力が少なく、鮮やかな画像を表示できるカラー静止画表示素子及びカラー静止画表示装置を提供することを目的とする。

発明者らは、コレステリック液晶のメモリ特性を活用しつつ、表示画像の鮮やかさを実現できる表示素子及び表示装置について鋭意検討を行い、本発明を成すに至った。

すなわち、前記課題を解決するために提供する本発明は、２つの透明電極に挟まれ、可視光波長領域の光シャッターとなるコレステリック液晶層と、前記光シャッターに対応して配置されるカラーフィルターとを備えることを特徴とするカラー静止画表示素子である（請求項１）。

ここで、前記可視光領域は、４５０〜６５０ｎｍの波長領域であることが好ましい。
また、前記コレステリック液晶層は、複数のコレステリック液晶材料が積層されてなることが好ましい。
さらに、前記カラーフィルターは、画素ごとに赤色、緑色、青色三色の色要素を有するものであるとよい。

前記課題を解決するために提供する本発明は、請求項１〜４のいずれか一に記載のカラー静止画表示素子と、前記カラー静止画表示素子のカラーフィルターとは反対側の透明電極側に設けられ、前記コレステリック液晶層の光シャッターの対象となる可視光波長領域に輝度をもつバックライト装置とを備えることを特徴とするカラー静止画表示装置である（請求項５）。

ここで、前記バックライト装置とコレステリック液晶層との間に、偏光板と１／４波長板を備えることが好ましい。

本発明によれば、ＴＦＴ回路のない簡単な構造でコレステリック液晶層のメモリ特性を利用することにより消費電力を低減することができ、該コレステリック液晶層を光シャッターとしカラーフィルターにより色表示をすることにより鮮やかな画像を表示することができる。

以下に、本発明に係るカラー静止画表示素子の構成について説明する。
図１は、本発明に係るカラー静止画表示素子の構成を示す断面図である。
図１に示すように、カラー静止画表示素子１０は、２つの透明電極３，５に挟まれ、可視光波長領域の光シャッターとなるコレステリック液晶層４と、前記光シャッターに対応して配置されるカラーフィルター２とを備える構成となっている。また、カラーフィルター２／透明電極３／コレステリック液晶層４／透明電極５の積層体はその両面を透明な基板１，６で挟まれている。なお、図１においては、１画素分のカラー静止画表示素子１０の断面状態を示している。

基板１，６は、絶縁性および光透過性を有する材料からなり、カラー静止画表示素子１０としての強度をもつための支持体である。例えば、ガラスやシリコン基板、ポリエチレンテレフタレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネートなどの高分子フィルムなどが挙げられる。

カラーフィルター２は、染色法、印刷法、電着法、顔料分散法など従来公知の方法により、基板１上に微細な画素の要素として赤色の画素要素（２Ｒ）、緑色の画素要素（２Ｇ）、青色の画素要素（２Ｂ）を形成したものである。
なお、これらの画素間に黒色の遮光パターンであるブラックマトリクスを設けるとよい。

透明電極３，５は、ＩＴＯやＳｎＯ_２などの導電性および光透過性を有する薄膜であり、例えば蒸着法やスパッタリング法などより形成すればよい。ここで、透明電極３は図１において紙面垂直方向に延びる複数本のラインからなるストライプ形状の電極であり、透明電極５は図１において紙面左右方向に延びる複数本のラインからなるストライプ形状の電極である。また、透明電極３のラインと透明電極５のラインとは直交するように配置されており、その重なり合う部分は後述するコレステリック液晶層４の光シャッターとなるとともに画素の１要素を構成する。

コレステリック液晶層４は、可視光波長領域の光シャッター機能を有するものである。ここで、可視光波長領域は、４５０〜６５０ｎｍの波長領域であることが好ましい。

光シャッターとは、コレステリック液晶層４に透明電極３，５間に電圧を印加することにより電界を発生させることにより液晶の配向状態を変化させ、特定の波長領域の光の透過・反射の制御を行うものである。具体的には、コレステリック液晶をプレーナ相とすることにより特定の波長領域の光を反射させ、フォーカルコニック相とすることにより特定の波長領域の光を透過させるものである。

ところで、液晶分子が螺旋構造を有するコレステリック液晶は、この螺旋ピッチに依存する波長の光を選択的に反射する特性を有する。しかしながら、この反射のスペクトル幅が広く、しかも反射される光の波長は視野角に依存するため、コレステリック液晶の反射光により鮮やかな色を表示することは困難であった。さらに、コレステリック液晶単体では広い波長領域、例えば可視光波長領域すべてをカバーする光シャッターとすることはできなかった。そこで、発明者らは反射する波長領域の異なる複数のコレステリック液晶材料を組み合わせることにより、反射する波長領域を広げることができることを見出し、鋭意検討を行うことにより、本発明を成すに至った。

図２に、複数のコレステリック液晶材料を積層してコレステリック液晶層４とした場合の反射・透過特性の例を示す。なお図２では、３種のコレステリック液晶Ａ、Ｂ、Ｃの層を重ねて用いた場合を示した。
液晶Ａ、Ｂ、Ｃがプレーナ相状態にある場合には、各々の液晶は右回り円偏光または左回り円偏光の一方を選択的に反射する。したがって、無偏光の光が入射した場合には最大で０．５の反射率を示す。いずれもプレーナ相にある液晶Ａ、Ｂ、Ｃを重ねた層に入射する円偏光は、いずれかの液晶の反射スペクトル域にその波長が属する場合には反射される。したがって、図２（ａ）の例のように３つの反射ピークによって可視光領域が覆われている場合には、可視光全域にわたって円偏光が反射を受ける。個別の反射ピークの位置や形状は、液晶層を見込む角度によって変化するが、反射ピークが全体として可視光域を覆いつくすことに変化はないので、コレステリック液晶を用いながらも視角によらない反射特性が得られる。また、すべての液晶層がフォーカルコニック相にある場合には、反射は生じない（図２（ｂ））。

透過スペクトルは、ほぼ、１から反射率を差し引いた形になる。４００ｎｍより短波長では材料による光の吸収が生じるので、透過率は小さくなっている（図２（ｃ）,（ｄ））。

コレステリック液晶は特定の円偏光にのみ反射の作用を示すため、無偏光の入射光に対しては図２に示したように、反射率は０から０．５の間（図２（ａ）,（ｂ））、透過率は０．５から１の間（図２（ｃ）,（ｄ））で変化する。

この反射率ないし透過率の変化をより際立たせるためには、一法として、円偏光の入射光を用いれば良い。この円偏光に対する反射率は０から１の間、透過率も１から０の間で変化する。この動作は、後に詳述するように、円偏光を供給するバックライトを用いて実現される。

また別法として、右回り円偏光を反射する液晶層と左回り円偏光を反射する液晶層の両方を用いることもできる。この場合、液晶層の数が多くなりシャッターの構成が複雑になる欠点があるが、バックライトには無偏光のものを用いることができ、光の利用効率が高い利点がある。

本発明では、コレステリック液晶層４を構成するすべてのコレステリック液晶材料がプレーナ相あるいはフォーカルコニック相となるように透明電極３，５間に電圧を印加する。これにより、図２に示すように、積層された複数のコレステリック液晶材料に対応して反射・透過の対象となる波長領域が重ね合わされ、可視光の広い波長領域の光に対して反射・透過をコントロールすることができるようになり、本発明における光シャッターとして活用することが可能となる。さらにコレステリック液晶のメモリ特性により、前記配向状態は透明電極３，５間に電圧を印加しなくても維持することが可能である。また、液晶の配向状態を調整することにより、階調表示も可能である。
なお、このようなコレステリック液晶材料の積層構造はそれぞれの材料を順次塗布することにより形成すればよい。

また、コレステリック液晶層４に使用できるコレステリック液晶材料にはとくに制限はなく、例えば、ステロイド系コレステロール誘導体、あるいはシッフ塩基系、アゾ系、エステル系、ビフェニル系などのネマチック液晶の一部に光学活性基を導入したカイラルネマチック液晶、またはこれらをシッフ塩基系、アゾ系、アゾキシ系、エタン系、ビフェニル系、ターフェニル系、シクロヘキシルカルボン酸エステル系、フェニルシクロヘキサン系、安息香酸エステル系、ピリミジン系、トラン系、シクロヘキシルシクロヘキサンエステル系、アルケニル系などの正の誘電率異方性を有するネマチック液晶、またはこれらの混合液晶に、カイラル剤として添加した材料が挙げられる。

本発明のカラー静止画表示素子１０は、例えば基板１上にカラーフィルター２および透明電極３を形成し、ついで基板１の透明電極３上にコレステリック液晶層４を構成する複数のコレステリック液晶材料を順次塗布により積層し、その後透明電極５を形成した基板６を透明電極５がコレステリック液晶層４に面するように被せることにより製造すればよい。あるいは基板６の透明電極５上にコレステリック液晶層４を形成し、その上にカラーフィルター２および透明電極３が形成された基板１を被せるようにしてもよい。

図３に、本発明のカラー静止画表示素子１０を使用している例を示す。
図３において、透明電極３，５間にはパッシブマトリクス方式で電圧を印加することにより、カラーフィルター２のうち、赤色の画素要素２Ｒおよび青色の画素要素２Ｂ直下のコレステリック液晶層４はプレーナ相状態に配向され、緑色の画素要素２Ｇ直下のコレステリック液晶層４はフォーカルコニック相状態に配向されている。

この状態でカラー静止画表示素子１０を、例えば発光している白色光源の前にカラーフィルター２が前面になるように配置すると、カラー静止画表示素子１０の背面から入射する白色光は、赤色の画素要素２Ｒおよび青色の画素要素２Ｂ直下のコレステリック液晶層４において反射され、緑色の画素要素２Ｇ直下のコレステリック液晶層４においては透過されるようになる。したがって、緑色の画素要素２Ｇのみに光が透過するようになり、当該画素では鮮やかな緑色の点が観察されるようになる。

また、図示していないが、前記カラー静止画表示素子１０のカラーフィルター２の前に、発光している白色光源を配置すると、カラー静止画表示素子１０の前面から入射する白色光は、カラーフィルター２を透過した後、赤色の画素要素２Ｒおよび青色の画素要素２Ｂ直下のコレステリック液晶層４において反射され、緑色の画素要素２Ｇ直下のコレステリック液晶層４においては透過されるようになる。したがって、赤色の画素要素２Ｒおよび青色の画素要素２Ｂを光が透過して返ってくるようになり、当該画素では鮮やかな紫色の点が観察されるようになる。なお、この表示方式の場合には、コレステリック液晶層４を透過した光を吸収する黒色の光吸収層を設けることが好ましい。

以上の原理によって、画素ごとのコレステリック液晶層４の配向状態をコントロールすることにより、カラー静止画を表示することが可能となる。用途例としては、外光、照明ライト下やバックライト前に設置するポスターなどがある。また、カラー静止画表示素子１０はＴＦＴ回路が持たないことから、可撓性のあるシートとすることも可能であり、モバイルディスプレイとしてもよい。

なお、透明電極３，５への電圧印加は、例えば接触子やコネクタなどにより透明電極３，５に電源回路を接続して行えばよく、コレステリック液晶層４を所期の配向状態とした後は該電源回路を外すようにすればカラー静止画表示素子１０だけを扱えばよくなり簡便である。

次に、本発明に係るカラー静止画表示装置について説明する。
図４は、本発明に係るカラー静止画表示装置の構成を示す断面図である。
図４に示すように、カラー静止画表示装置１００は、本発明のカラー静止画表示素子１０と、バックライト装置１１と、カラー静止画表示素子１０の基板６上の設けられる１／４波長板１２と、該１／４波長板１２上に設けられる偏光板１３と、基板１上に設けられる偏光板１４とからなる。

ここで、コレステリック液晶層４は、偏光板１３と１／４波長板１２の組合せによって選択された一方の円偏光に対してのみ反射作用を示すように構成されている。

バックライト装置１１は、カラー静止画表示素子１０のカラーフィルター２とは反対側の透明電極６側に設けられ、コレステリック液晶層４の光シャッターの対象となる可視光波長領域に輝度をもつものである。例えば、冷陰極管および／または熱陰極管からなる光源と、この光源光をほぼ均一な面光源に変換する光均一化手段とを備えるもの、ＲＧＢ三原色の波長領域それぞれで発光するＬＥＤを組み合わせたものなどが挙げられる。

また、バックライト装置１１、コレステリック液晶層４、カラーフィルター２の位置関係は、図４に示された順序には限定されない。すなわち、バックライト装置１１から発した光が最初にカラーフィルター２を透過し、その後コレステリック液晶層４を透過する順に設けてカラー静止画表示素子１０を構成した例もある。

図５に、本発明のカラー静止画表示装置１００を使用している例を示す。
図５において、カラー静止画表示素子１０における透明電極３，５間にはパッシブマトリクス方式で電圧を印加することにより、カラーフィルター２のうち、赤色の画素要素２Ｒおよび青色の画素要素２Ｂ直下のコレステリック液晶層４はプレーナ相状態に配向され、緑色の画素要素２Ｇ直下のコレステリック液晶層４はフォーカルコニック相状態に配向されている。

ここで、バックライト装置１１から出射される光は、１／４波長板１２と偏光板１３との組み合わせにより右回り円偏光または左回り円偏光の一方の円偏光がコレステリック液晶層４に入射し、他方の円偏光が除かれる。ついで、コレステリック液晶層４に入射した一方の円偏光は、赤色の画素要素２Ｒおよび青色の画素要素２Ｂ直下のコレステリック液晶層４において全反射され、緑色の画素要素２Ｇ直下のコレステリック液晶層４においては透過されるようになる。したがって、緑色の画素要素２Ｇのみに一方の円偏光が透過し、偏光板１４を通って前面に出射されるようになり、当該画素では鮮やかな緑色の点が観察されるようになる。

以上の原理によって、画素ごとのコレステリック液晶層４の配向状態をコントロールすることにより、鮮明なカラー静止画を表示することが可能となる。またこのとき、１／４波長板１２と偏光板１３との組み合わせで他方の円偏光を除外することと、コレステリック液晶層４において一方の円偏光に対してのみ反射・透過の光シャッターとして作用させることとにより、表示される画像のコントラストを高めることができる。

本発明に係るカラー静止画表示素子の構成を示す断面図である。 本発明で使用するコレステリック液晶層の反射・透過特性の例である。 本発明に係るカラー静止画表示素子の使用例を示す図である。 本発明に係るカラー静止画表示装置の構成を示す断面図である。 本発明に係るカラー静止画表示装置の使用例を示す図である。

符号の説明

１，６・・・基板、２・・・カラーフィルター、２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ・・・画素要素、３，５・・・透明電極、４・・・コレステリック液晶層、１０・・・カラー静止画表示素子、１１・・・バックライト装置、１２・・・１／４波長板、１３，１４・・・偏光板、１００・・・カラー静止画表示装置

Claims (6)

1. ２つの透明電極に挟まれ、可視光波長領域の光シャッターとなるコレステリック液晶層と、前記光シャッターに対応して配置されるカラーフィルターとを備えることを特徴とするカラー静止画表示素子。
2. 前記可視光領域は、４５０〜６５０ｎｍの波長領域であることを特徴とする請求項１に記載のカラー静止画表示素子。
3. 前記コレステリック液晶層は、複数のコレステリック液晶材料が積層されてなることを特徴とする請求項１に記載のカラー静止画表示素子。
4. 前記カラーフィルターは、画素ごとに赤色、緑色、青色三色の色要素を有するものであることを特徴とする請求項１に記載のカラー静止画表示素子。
5. 請求項１〜４のいずれか一に記載のカラー静止画表示素子と、
   前記カラー静止画表示素子のカラーフィルターとは反対側の透明電極側に設けられ、前記コレステリック液晶層の光シャッターの対象となる可視光波長領域に輝度をもつバックライト装置とを備えることを特徴とするカラー静止画表示装置。
6. 前記バックライト装置とコレステリック液晶層との間に、偏光板と１／４波長板を備えることを特徴とする請求項５に記載のカラー静止画表示装置。

Images