JP2007213007A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 多様な色表示の可能な液晶表示素子を提供する。
【解決手段】 第１基板と、第１基板と略平行に配置された第２基板と、第１基板と第２基板との間に形成された液晶層と、第１基板の液晶層が形成された側とは反対側に配置された第１偏光板と、第１偏光板の第１基板が配置された側とは反対側に配置された第１光源と、第２基板の液晶層が形成された側とは反対側に配置された、偏光状態にしたがって入射光を透過させ、または反射する透過・反射板と、透過・反射板の第２基板が配置された側とは反対側に配置された第２偏光板と、第２偏光板の透過・反射板が配置された側とは反対側に配置された第２光源とを有し、透過・反射板は、第１偏光板を透過する偏光状態の光を反射し、第２偏光板を透過する偏光状態の光を透過させる液晶表示素子を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶表示素子（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ；ＬＣＤ）に関する。

セグメントタイプ、ドットマトリックスタイプ、及び両者を複合したタイプの液晶表示素子において、表示に用いるセグメント部またはドット部以外の領域（非表示領域）の表示色を調整し、表示の見易さやデザイン性を向上させることが行われている。

図７（Ａ）〜（Ｃ）は、非表示領域の色調を調整することの可能な液晶表示素子の内部構成例を示す概略的な分解斜視図である。

図７（Ａ）を参照する。液晶表示素子は、略平行に対向配置される上側基板５０ａ及び下側基板５０ｂ、及び、その間に挟持される液晶層５５を含んで構成される。上側基板５０ａ及び下側基板５０ｂは、たとえば平板なガラス基板（上側及び下側ガラス基板５１ａ、５１ｂ）、その対向面上に、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）等の透明導電材で形成され、所定のパタンを有する電極（上側及び下側透明電極５２ａ、５２ｂ）、及び各電極上に形成された配向膜（上側及び下側配向膜５３ａ、５３ｂ）を備える。液晶層５５は、たとえば正の誘電率異方性（Δε＞０）をもつネマティック液晶で形成されるツイストネマティック液晶層であり、上側及び下側配向膜５３ａ、５３ｂのラビング方向によって定まるツイスト角は、たとえば９０°である。

上側基板５０ａ及び下側基板５０ｂの外側に、一対の上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂが、ラビング方向に沿って直交ニコル状態に配置される。上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂは、それぞれ面内方向に透過軸を有し、透過軸の方向に偏光する光だけを透過させる。電圧を印加しない状態で、入射光の偏光方向は液晶分子の配向に従って回転し、偏光板を透過してノーマリホワイト表示を行う。図７（Ａ）には、透過軸の方向を矢印で示した。

マルチカラーバックライト５６が、下側偏光板５４ｂの外側に配置される。マルチカラーバックライト５６は、複数の色の光を出射することが可能なバックライトであり、たとえばＲＧＢマルチカラーＬＥＤ光源を用いる。

上側及び下側透明電極５２ａ、５２ｂ間に接続される電圧印加手段で、液晶層５５に電圧を印加することによって、液晶分子が水平方向から垂直方向に立ち上がることにより、入射光の偏光方向は液晶層の影響を受けないようになり、クロス偏光子により遮光される。

マルチカラーバックライト５６から発せられ、液晶層５５を通過した光が、上側偏光板５４ａを透過するとき、発せられた光の色によって「明」表示、上側偏光板５４ａに遮蔽されるときに「暗」表示が行われる。

「暗」表示を用いて、表示部を黒表示するノーマリホワイトタイプの液晶表示素子においては、バックライトの発光色を変化させることのできるマルチカラーバックライトを用いることで、非表示領域の色調を任意に変化させることが可能である。

図７（Ｂ）を参照する。図７（Ｂ）に示す液晶表示素子は、図７（Ａ）に示すそれと比較した場合、上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂに代えて、上側及び下側カラー偏光板５４ｃ、５４ｄを用いている点、及び、マルチカラーバックライト５６の代わりに白色バックライト５７を使用している点において異なる。

白色バックライト５７は、たとえば冷陰極蛍光管（ｃｏｌｄ ｃａｔｈｏｄｅ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｌａｍｐ；ＣＣＦＬ）を用いて構成される。無機白色ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）、有機白色ＬＥＤ等を用いて構成される場合もある。

なお、上側及び下側カラー偏光板５４ｃ、５４ｄは直交ニコル配置されている。

図７（Ａ）の上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂは、たとえばニュートラルグレー色調の偏光板であるが、図７（Ｂ）の上側及び下側カラー偏光板５４ｃ、５４ｄは、色素により染色したカラー偏光板である。白色バックライト５７から出射した光を、上側及び下側カラー偏光板５４ｃ、５４ｄを透過させることにより、上側及び下側カラー偏光板５４ｃ、５４ｄによって定められる色に、背景色を設定することができる。

図７（Ｃ）を参照する。図７（Ｃ）に示す液晶表示素子は、図７（Ａ）に示すそれと比較した場合、上側偏光板５４ａと上側基板５０ａとの間に、位相差板５８が挿入されている点において異なる。位相差板５８を挿入することによって、非表示領域の色調を調整することが可能である。

非表示領域の色調の調整は、液晶層の厚さ、液晶分子のねじれ度合いの調整、偏光板、位相差板の組み合わせ等によって行うことができる。

なお、図７（Ｂ）及び（Ｃ）に示した液晶表示素子については、素子完成後は、非表示領域の色を変えることはできない。

図８（Ａ）及び（Ｂ）は、ドット部またはセグメント部の色調を調整することの可能な液晶表示素子の内部構成例を示す概略的な分解斜視図である。

図８（Ａ）を参照する。図８（Ａ）に示す液晶表示素子は、図７（Ａ）に示すそれと比較した場合、上側及び下側基板５０ａ、５０ｂ間に、エリアカラーフィルタ６０とブラックマスク５９が配置されている点、及び、マルチカラーバックライト５６の代わりに白色バックライト５７を使用している点において異なる。

エリアカラーフィルタ６０は、たとえば赤色部６０ｒ、緑色部６０ｇ、青色部６０ｂ、及び白色部６０ｗを含んで構成される。図示の液晶表示素子においては、白色バックライト５７から発せられた光が、エリアカラーフィルタ６０の異なる色の領域（各色部６０ｒ，ｇ，ｂ，ｗ）を透過することで、複数色の表示が可能になる。

ブラックマスク５９は、色領域の境界を覆い、コントラストや色純度を高めるために配置される。

図８（Ｂ）を参照する。図８（Ｂ）に示す液晶表示素子は、図７（Ａ）に示すそれと比較した場合、上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂが平行ニコル配置されている点において異なる。マルチカラーバックライト５６から発せられた光が、下側偏光板５４ｂで偏光され、電圧無印加時の液晶分子の配向状態に従って偏光方向を回転すると、上側偏光板５４ａの偏光方向と直交することとなり、遮光される。すなわち本図に示す液晶表示素子は、マルチカラーバックライトを用いたノーマリブラックタイプの液晶表示素子である。電圧印加時の発光色によって、複数色による表示を行うことができる。

表示領域と非表示領域とを、それぞれ別個独立に、かつ、液晶表示素子の製造後に任意の色調に制御することは困難である。マイクロカラーフィルタを用いたフルドットマトリクス液晶表示素子であれば、外観的には実質的な非表示領域と表示領域の色調整を独立して行えるように見せるのは可能ではあるが、マイクロカラーフィルタの使用によりコストが高くなる。

特にセグメントタイプや、セグメントとドットの複合タイプの液晶表示素子の場合は、低コストが求められるため、マイクロカラーフィルタ等カラーフィルタを用いないことが好ましい。（たとえば、特許文献１参照。）

特開昭４９−０７４４３８号公報

本発明の目的は、多様な色表示の可能な液晶表示素子を提供することである。

本発明の一観点によれば、第１の基板と、前記第１の基板と略平行に配置された第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に形成された液晶層と、前記第１の基板の前記液晶層が形成された側とは反対側に配置された第１の偏光板と、前記第１の偏光板の前記第１の基板が配置された側とは反対側に配置された第１の光源と、前記第２の基板の前記液晶層が形成された側とは反対側に配置された、偏光状態にしたがって入射光を透過させ、または反射する透過・反射板と、前記透過・反射板の前記第２の基板が配置された側とは反対側に配置された第２の偏光板と、前記第２の偏光板の前記透過・反射板が配置された側とは反対側に配置された第２の光源とを有し、前記透過・反射板は、前記第１の偏光板を透過する偏光状態の光を反射し、前記第２の偏光板を透過する偏光状態の光を透過させる液晶表示素子が提供される。

本発明によれば、多様な色表示の可能な液晶表示素子を提供することができる。

図１（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ図２以降を参照して詳説する実施例による液晶表示素子の、表示部を示す平面図、及び内部構成例を示す概略的な分解斜視図である。

図１（Ａ）を参照する。液晶表示素子の表示は、たとえば７セグメントの表示部３０で行われる。表示部３０は、表示単位（各セグメント）３１〜３７、及び背景領域３８を含んで構成される。表示単位３１〜３７の各々には、それぞれ独立に駆動可能な電極が対応して設けられている。それらの電極に選択的に電圧を印加することにより、電極に対応する液晶層の液晶分子の配向状態を変化させ、たとえば「０」〜「９」の各数字を表示することができる。

本明細書においては、たとえば各数字の表示に用いられる表示単位を表示領域と呼び、それ以外の表示単位及び背景領域を非表示領域と呼ぶ。たとえば、数字の「７」を表示するとき、表示領域とは、表示単位３１〜３３を意味し、非表示領域とは、表示単位３４〜３７、及び背景領域３８を意味する。

図１（Ｂ）を参照する。実施例による液晶表示素子は、略平行に対向配置される上側基板５０ａ及び下側基板５０ｂ、及び、その間に挟持される液晶層５５を含んで構成される。上側基板５０ａ及び下側基板５０ｂは、たとえば平板なガラス基板（上側及び下側ガラス基板５１ａ、５１ｂ）、その対向面上に、ＩＴＯ等の透明導電材で形成され、所定のパタンを有する電極（上側及び下側透明電極５２ａ、５２ｂ）、及び各電極上に形成された配向膜（上側及び下側配向膜５３ａ、５３ｂ）を備える。

上側基板５０ａ及び下側基板５０ｂの外側に、一対の上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂが配置される。上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂは、たとえば直線偏光板、円偏光板、または楕円偏光板である。上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂは、それぞれ面内方向に透過軸を有し、透過軸の方向に偏光する光だけを透過させる。円偏光板、楕円偏光板の場合は、さらに内側に位相差板を備える。

上側透明電極５２ａと下側透明電極５２ｂとの間には、電圧印加手段６８が接続されている。電圧印加手段６８は、両電極５２ａ、５２ｂ間に任意の電圧を印加し、液晶層５５の液晶分子の配向状態を変えることができる。

下側基板５０ｂと、下側偏光板５４ｂとの間に、偏光分離透過・反射板６７が配置される。偏光分離透過・反射板６７は、入射光を、その偏光状態に従って透過または反射する。偏光分離透過・反射板６７としては、たとえば（株）３Ｍ製のＤ−ＢＥＦ（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｅｎｈａｎｅ ｆｉｌｍ）や（株）日東電工製の輝度向上フィルムＰＣＦ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｆｉｌｍ）等に用いられている広帯域コレステリックフィルムを使用することができる。

マルチカラーフロントライト６６、及びマルチカラーバックライト５６が、それぞれ上側偏光板５４ａ、下側偏光板５４ｂの外側に配置される。マルチカラーフロントライト６６、及びマルチカラーバックライト５６は、複数の色の光を選択的に出射することが可能なライトであり、たとえば側方にＲＧＢマルチカラーＬＥＤ光源を有し、入射する光を液晶層に向かって照射する。カラー光源としては、有機ＬＥＤ、無機ＬＥＤ、ＣＣＦＬ、ＦＥランプ等を用いて構成することが可能である。出射光色の変化は、互いに異なる発光色の単色光源を複数用いる構成で実現してもよいし、発光色を変化することのできる単一光源を用いる構成で実現してもよい。マルチカラーフロントライト６６は、液晶層からの光は透過させる。

マルチカラーバックライト５６は、ドット、セグメント等の表示領域の表示を制御する。マルチカラーフロントライト６６は、非表示領域の色表示を実現するのに用いられる。なお、両ライト５６、６６は連続点灯でも、セル応答に呼応した間欠点灯でもよい。

なお、液晶表示素子の表示に際しては、マルチカラーフロントライト６６、マルチカラーバックライト５６の両ライトの点灯や、これらと液晶セルの表示部の表示をするための動作（液晶セルの電気的スイッチング）を同期させる必要はない。

また、上側及び下側基板５０ａ、５０ｂ、液晶層５５、上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂ、偏光分離透過・反射板６７で構成される液晶セルは、マルチカラーバックライト５６から発光される光に対して、ノーマリブラックタイプの液晶セルである。

このような液晶表示素子において、マルチカラーフロントライト６６、及びマルチカラーバックライト５６の発光色を制御することにより、表示領域と非表示領域を異なる色調で別個独立に表現することが可能となる。

以下、具体的な実施例について説明する。第１〜第３の実施例による液晶表示素子においては、図１における偏光分離透過・反射板６７として、（株）３Ｍ製のＤ−ＢＥＦを用いた。Ｄ−ＢＥＦは面内方向に反射軸を有し、反射軸方向に偏光する光を反射する。また、第４及び第５の実施例による液晶表示素子においては、図１における偏光分離透過・反射板６７として、（株）日東電工製の輝度向上フィルムＰＣＦに用いられている広帯域コレステリックフィルムを使用した。広帯域コレステリックフィルムは、たとえば右円偏光を反射し、左円偏光を透過する。その逆を行う広帯域コレステリックフィルムもある。

図２は、第１の実施例による液晶表示素子の内部構成例を示す概略的な分解斜視図である。

液晶層５５は、負の誘電率異方性（Δε＜０）をもつ液晶材料を用いて形成し、垂直配向型の液晶表示素子とした。本図には、電圧無印加時の液晶分子の配向状態を示した。また、上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂとして、直線偏光板を用いた。図には、上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂの透過軸の方向を矢印で示してある。

上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂは直交ニコル配置とした。更に、Ｄ−ＢＥＦ６９の反射軸と、下側偏光板５４ｂの透過軸とが直交するように（下側からの光がＤ−ＢＥＦ６９を透過するように）、両者を配置した。上側及び下側基板５０ａ、５０ｂ、液晶層５５、上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂ、Ｄ−ＢＥＦ６９で構成される液晶セルは、マルチカラーバックライト５６から発光される光を、電圧無印加状態で偏光状態を変えずに透過させ、上側偏光板５４ａで遮光するノーマリブラックタイプの液晶セルである。

第１の実施例による液晶表示素子の動作を説明する。第１の実施例による液晶表示素子の液晶分子は、前述のように、電圧無印加時には、上側及び下側基板５０ａ、５０ｂにほぼ垂直に配向している。このため、液晶層に入射した光は偏光方向を変化させることなく液晶層を透過する。

一方、電圧印加時には、非表示領域での液晶分子の配向状態は電圧無印加時と変わらないが、表示領域においては電圧無印加時から液晶分子が上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂの透過軸に対して面内方向４５°の方向に向かって倒れ、液晶層に入射した光には複屈折効果が与えられる。液晶層は１／２波長板と同等な効果を有することとなり、入射光は、偏光方向を９０°変化させて液晶層から出射する。

まず、電圧無印加時の動作について説明する。

マルチカラーフロントライト６６から出射した光は、上側偏光板５４ａの透過軸方向に偏光方向を有する直線偏光となって液晶層５５に入射する。光は液晶層５５を偏光状態を変えることなく透過し、Ｄ−ＢＥＦ６９に入射する。Ｄ−ＢＥＦ６９の反射軸方向は、上側偏光板５４ａの透過軸方向と平行である。このため、液晶層５５を透過したマルチカラーフロントライト６６の光は、Ｄ−ＢＥＦ６９でほぼ１００％反射され、再び液晶層５５及び上側偏光板５４ａを透過する。透過した光は、観察者に視認される。

マルチカラーバックライト５６から出射した光は、下側偏光板５４ｂの透過軸方向に偏光方向を有する直線偏光となってＤ−ＢＥＦ６９に入射する。Ｄ−ＢＥＦ６９の反射軸方向と下側偏光板５４ｂの透過軸方向とは直交するため、直線偏光は、Ｄ−ＢＥＦ６９を透過して、液晶層５５に入射する。液晶層５５では、偏光方向は変化しない。このため、液晶層５５を出射した光は、下側偏光板５４ｂと直交ニコル配置された上側偏光板５４ａに吸収される。

したがって、電圧無印加時においては、表示部の全領域において、マルチカラーフロントライト６６から発せられた光が観察者に視認されることになる。

次に、電圧印加時の動作について説明する。

マルチカラーフロントライト６６から出射した光は、非表示領域においては、電圧無印加時と同じ理由で観察者に視認される。

一方、表示領域においては、マルチカラーフロントライト６６から出射した光は、上側偏光板５４ａの透過軸方向に偏光方向を有する直線偏光となって液晶層５５に入射する。液晶分子の配向状態は、電圧無印加時から変化しているので、液晶層５５に入射した光は偏光方向を９０°変化させて液晶層５５を出射する。液晶層５５を出射する直線偏光の偏光方向と、Ｄ−ＢＥＦ６９の反射軸方向とは直交している（Ｄ−ＢＥＦ６９の透過軸方向と平行である）。このため、液晶層５５を出射した直線偏光は、Ｄ−ＢＥＦ６９、次いで下側偏光板５４ｂを透過して、マルチカラーバックライト５６側に伝播し、散乱等により消失する。このため、マルチカラーフロントライト６６から出射した光は、観察者に視認されることはない。

マルチカラーバックライト５６から出射した光は、非表示領域においては、電圧無印加時と同じ理由で観察者に視認されない。

一方、表示領域においては、マルチカラーバックライト５６から出射した光は、下側偏光板５４ｂの透過軸方向に偏光方向を有する直線偏光となって、Ｄ−ＢＥＦ６９を透過し、液晶層５５に入射する。液晶層５５では、偏光方向が９０°変化される。このため、液晶層５５を出射した光は、上側偏光板５４ａを透過し、観察者に視認される。

したがって、電圧印加時には、非表示領域においては、マルチカラーフロントライト６６から発せられた光が観察者に視認され、表示領域においては、マルチカラーバックライト５６から発せられた光が観察者に視認されることになる。

このように、第１の実施例による液晶表示素子は、マルチカラーフロントライト６６で非表示領域の色調を、マルチカラーバックライト５６で表示領域の色調を、それぞれ独立に表現することができる。また、ライト５６及び６６から出射される光の色を選択することにより、それぞれ表示領域及び非表示領域の表示色を選択することができる。

上述のように、第１の実施例による液晶表示素子は、マルチカラーフロントライト６６とマルチカラーバックライト５６とが同時に点灯している場合であっても、任意の一箇所については一方の光のみが観察者に視認される。液晶表示素子が単純マトリクス駆動のようなオン／オフの２値動作を行うのであれば、両者の同時点灯が混色を生じさせることはほぼない。

本願発明者は、第１の実施例による液晶表示素子のマルチカラーフロントライト６６を青色に点灯し、マルチカラーバックライト５６を黄色に点灯した。そして、図１（Ａ）の表示単位３１〜３３に対応する電極にのみ電圧を印加した。その結果、青色の背景に、黄色で「７」の数字が表示されることを確認した。

なお、偏光板と液晶セルとの間には、視角補償フィルム等を挿入してもよい。

図３は、第２の実施例による液晶表示素子の内部構成例を示す概略的な分解斜視図である。第１の実施例においては、垂直配向型の液晶セルを用いた。第２の実施例においては、上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂ側にそれぞれ配置した補償セル（上側セル）７０及び駆動セル（下側セル）７１を含んで構成される２層構造の液晶セルを用いた点において、第１の実施例による液晶表示素子と異なっている。

補償セル７０及び駆動セル７１の液晶層５５は、ともに正の誘電率異方性（Δε＞０）をもつ同じ液晶材料を用いて形成し、各セル７０、７１をそれぞれ、左ねじれ角９０°、右ねじれ角９０°の水平配向型液晶表示素子とした。各セル７０、７１の液晶層５５の厚さ方向の中央における液晶分子配向方向は互いに直交するようにし、また、両セル７０、７１の液晶層５５の厚さは等しくした。本図には、電圧無印加時の液晶分子の配向状態を示してある。

表示動作は、駆動セル（下側セル）７１への電圧印加のみで行い、補償セル（上側セル）７０への通電は行わなかった。

補償セル７０、駆動セル７１、上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂ、Ｄ−ＢＥＦ６９で構成される液晶セルは、マルチカラーバックライト５６から発光される光に対して、ノーマリブラックタイプの液晶セルである。

第２の実施例による液晶表示素子の動作を説明する。前述のように、補償セル７０には通電を行わないため、補償セル７０の液晶分子は、常に、左ねじれ角９０°の状態を保つ。したがって、補償セル７０に入射した光は偏光方向を左向きに９０°変化させて補償セル７０を出射する。

駆動セル７１は、電圧無印加時においては、入射光を偏光方向を右向きに９０°変化させて出射する。すなわち、駆動セル７１において、光は補償セル７０においてと逆向きに偏光方向を９０°変化される。そこで光は、２層構造の液晶セルに入射するときと等しい偏光方向で２層構造の液晶セルを出射することになる。

しかし、電圧印加時においては、非表示領域での液晶分子の配向状態は電圧無印加時と変わらないが、表示領域においては電圧無印加時から駆動セル７１の液晶分子の配向状態が変化（上側及び下側基板５０ａ、５０ｂにほぼ垂直に配向）し、駆動セル７１に入射した光は、偏光方向を変化させることなく駆動セル７１から出射する。そこで光は、２層構造の液晶セルに入射するときと偏光方向を９０°異ならせて、２層構造の液晶セルを出射することになる。
したがって、電圧無印加時、及び電圧印加時であっても非表示領域においては、２層構造の液晶セル（補償セル７０及び駆動セル７１）によって、光は、偏光方向を変化されない。一方、電圧印加時、表示領域においては、光は、偏光方向を９０°変化されて、２層構造の液晶セルから出射する。

したがって、第２の実施例による液晶表示素子は、第１の実施例による液晶表示素子と同様に動作し、電圧無印加時においては、表示部の全領域において、マルチカラーフロントライト６６から発せられた光が観察者に視認され、電圧印加時には、非表示領域においては、マルチカラーフロントライト６６から発せられた光が観察者に視認され、表示領域においては、マルチカラーバックライト５６から発せられた光が観察者に視認されることになる。

本願発明者は、第２の実施例による液晶表示素子のマルチカラーフロントライト６６を青色に点灯し、マルチカラーバックライト５６を黄色に点灯した。そして、図１（Ａ）の表示単位３１〜３３に対応する電極にのみ電圧を印加した。その結果、青色の背景に、黄色で「７」の数字が表示されることを確認した。

本願発明者が、様々なねじれ角の液晶セルを検討した結果、補償セル７０及び駆動セル７１のねじれ角が７０°〜２４０°のとき、第２の実施例による液晶表示素子は、実用上有効に作用することがわかった。

なお、補償セル（上側セル）７０を、これと同等の光学的機能を有する液晶性ポリマ配向位相差板である（株）ポラテクノ社製のＴｗｉｓｔａｒに置き換えても同様の効果が得られた。

図４は、第３の実施例による液晶表示素子の内部構成例を示す概略的な分解斜視図である。

第３の実施例による液晶表示素子は、上側基板５０ａと上側偏光板５４ａとの間に、位相差板７２を備えた液晶表示素子である。

液晶分子のねじれ角、液晶層の厚さ、位相差板の位相差値、及び遅相軸の方位を適切に定めることにより、上側及び下側基板５０ａ、５０ｂ、液晶層５５、上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂ、Ｄ−ＢＥＦ６９、及び位相差板７２で構成される液晶セルを、マルチカラーバックライト５６から発光される光に対して、ノーマリブラックタイプの液晶セルとした。ここで位相差板７２は色調を調整する役割を果たす。

構成の詳細は以下の通りである。

液晶層５５の厚さを６μｍとし、液晶材料として、（株）大日本インキ製のＲＤＰ００３３３を用いた。液晶分子は、ねじれ角が左ねじれ２４０°であるねじれ水平配向とした。位相差板７２として、位相差値６００ｎｍの一軸光学異方性の位相差板を用いた。また、位相差板７２の遅相軸、上側偏光板５４ａの透過軸、Ｄ−ＢＥＦ６９の透過軸、及び下側偏光板５４ｂの透過軸が、それぞれ液晶層５５の中央分子配向方向となす角を１４０°、９５°、７０°、７０°とした。

本図には、電圧無印加時の液晶分子の配向状態を示した。また、上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂの透過軸の方向、位相差板７２の遅相軸の方向、及びＤ−ＢＥＦ６９の透過軸の方向を矢印で示した。

本願発明者は、第３の実施例による液晶表示素子のマルチカラーフロントライト６６を青色に点灯し、マルチカラーバックライト５６を黄色に点灯した。そして、図１（Ａ）の表示単位３１〜３３に対応する電極にのみ電圧を印加した。その結果、青色の背景に、黄色で「７」の数字が表示されることを確認した。

第３の実施例においては、１枚の位相差板７２を用いたが、複数の位相差板を用いることもできる。また、一軸光学異方性の位相差板に限らず、二軸光学異方性の位相差板を使用してもよい。

なお、液晶分子のねじれ角は、１８０°〜２４０°とするのが好ましい。

図５は、第４の実施例による液晶表示素子の内部構成例を示す概略的な分解斜視図である。

第４の実施例による液晶表示素子は、図２に示す第１の実施例による液晶表示素子と類似している。第１の実施例による液晶表示素子は、液晶層５５を挟持する上側及び下側基板５０ａ、５０ｂのそれぞれ外側に、上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂが配置され、更にその外側に、それぞれマルチカラーフロントライト６６及びマルチカラーバックライト５６が配置されていた。そして、入射光を、その偏光状態に従って透過または反射する偏光分離透過・反射板として、Ｄ−ＢＥＦを、下側基板５０ｂと下側偏光板５４ｂとの間に挿入した。

第４の実施例による液晶表示素子は、まず、偏光分離透過・反射板６７として、Ｄ−ＢＥＦではなく広帯域コレステリックフィルムを、下側基板５０ｂと下側偏光板５４ｂとの間に配置した点において、第１の実施例による液晶表示素子と異なる。

また、第１の実施例による液晶表示素子においては、上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂとして直線偏光板を用いたが、第４の実施例による液晶表示素子においては、上側偏光板５４ａとしては、上側直線偏光板５４ｅと上側１／４波長板５４ｇとを組み合わせた、上方からの光に対する円偏光板を採用し、下側偏光板５４ｂとしては、下側直線偏光板５４ｆと下側１／４波長板５４ｈとを組み合わせた、下方からの光に対する円偏光板を採用した。なお、上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂは、ともにライト６６、５６側に直線偏光板、液晶セル側に１／４波長板を配置して形成し、直線偏光板の透過軸と、１／４波長板の遅相軸とのなす角は±４５°とした。上側及び下側直線偏光板５４ｅ、５４ｆの透過軸は互いに直交させた。ただし、直線偏光板５４ｅ、５４ｆの透過軸の方位は、上側及び下側基板５０ａ、５０ｂに対しては任意でよい。

また、１／４波長板５４ｇ、５４ｈの機能は、複数の波長板の組み合わせ（たとえば１／４波長板と１／２波長板との組み合わせ）を用いて実現してもよい。

第４の実施例による液晶表示素子においては、上側偏光板５４ａを右円偏光板とし、下側偏光板５４ｂを左円偏光板とした。また、広帯域コレステリックフィルム７３は、右円偏光を反射し、左円偏光を透過するものとした。

以下、ｘ成分がｙ成分に対して遅相となる円偏光を右円偏光、進相となる円偏光を左円偏光とする。

これとは逆に、上側偏光板５４ａを左円偏光板、下側偏光板５４ｂを右円偏光板、広帯域コレステリックフィルム７３を、左円偏光を反射し、右円偏光を透過するものとしてもよい。上側偏光板５４ａと下側偏光板５４ｂの円偏光方向を逆向きとし、広帯域コレステリックフィルム７３が透過する円偏光方向と、下側偏光板５４ｂの円偏光方向とを一致させる。

なお、広帯域コレステリックフィルムと円偏光板を貼り合わせた構成を採用する、（株）日東電工製ＮＩＰＯＣＳや（株）メルク製ＴＲＡＮＳＭＡＸは、通常、バックライト上、または液晶セルの下側に貼り合わせられて使用される。この場合、広帯域コレステリックフィルムがライト側に配置される。本実施例においては、偏光板がライト側に配置される点において、これと異なる。

液晶層５５は、負の誘電率異方性（Δε＜０）をもつ液晶材料を用いて形成し、垂直配向型の液晶表示素子とした。本図には、電圧無印加時の液晶分子の配向状態を示した。また、電圧印加時の液晶層５５のリタデーションは１／２波長（たとえば、ｘ成分が１／２波長遅相）とした。

マルチカラーフロントライト６６から出射した光は、上側直線偏光板５４ｅの透過軸方向に偏光する光となって上側１／４波長板５４ｇに入射し、ｘ成分が１／４波長だけ遅相を受けて右円偏光となる。

電圧無印加時には、液晶層５５に入射した光は偏光状態を変化させず液晶層５５を出射する。マルチカラーフロントライト６６から発せられ、上側１／４波長板５４ｇを出射した右円偏光は、右円偏光のまま液晶層５５を出射し、広帯域コレステリックフィルム７３で反射される。反射光は右円偏光のまま液晶層を透過し、上側１／４波長板５４ｇでｙ成分が１／４波長遅相を受ける。このため、入射時と同じ偏光方向の直線偏光となり、上側直線偏光板５４ｅを透過し、観察者に視認される。逆に、マルチカラーバックライト５６から出射した光は、下側１／４波長板５４ｈでｘ成分が１／４波長進相を受け、左円偏光のまま液晶層を透過し、上側１／４波長板５４ｇで１／４波長遅相を受けるので、下側偏光板５４ｆ偏光軸を９０°回転した直線偏光となり、上側直線偏光板５４ｅで遮光され、観察者に視認されない。

電圧印加時には、液晶層５５の液晶分子の配向状態が変化するため、表示領域の液晶層５５に入射した右円偏光は左円偏光となって液晶層５５を出射する。また、左円偏光は右円偏光となって液晶層５５を出射する。

マルチカラーフロントライト６６から出射された光は、非表示領域においては、電圧無印加時と同様に観察者に視認される。表示領域においては、ｘ成分が１／４波長遅相、１／２波長遅相され、左円偏光となって広帯域コレステリックフィルム７３を透過し、下側１／４波長板５４ｈで１／４波長進相を受け、下側直線偏光板５４ｆを透過するため、観察者に視認されない。

一方、マルチカラーバックライト５６から出射した光は、下側１／４波長板５４ｈ、液晶層５５、上側１／４波長板５４ｇで、それぞれ１／４波長進相、１／２波長遅相、１／４波長遅相を受けて、上側直線偏光板５４ｅに入射するため、これを透過し、観察者に視認される。

上側及び下側基板５０ａ、５０ｂ、液晶層５５、上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂ、広帯域コレステリックフィルム７３で構成される液晶セルは、マルチカラーバックライト５６から発光される光に対して、ノーマリブラックタイプの液晶セルである。なお、液晶セルと上側または下側偏光板５４ａ、５４ｂとの間には、視角補償板等の位相差板（位相差フィルム）は使用しなかったが、必要に応じて適宜使用することも可能である。

第４の実施例による液晶表示素子の動作は、第１の実施例による液晶表示素子の動作と同様である。したがって、電圧無印加時においては、表示部の全領域において、マルチカラーフロントライト６６から発せられた光が観察者に視認され、電圧印加時には、非表示領域においては、マルチカラーフロントライト６６から発せられた光が観察者に視認され、表示領域においては、マルチカラーバックライト５６から発せられた光が観察者に視認されることになる。

第４の実施例による液晶表示素子も、第１の実施例による液晶表示素子と同様の効果を奏することができる。

本願発明者は、第４の実施例による液晶表示素子のマルチカラーフロントライト６６を青色に点灯し、マルチカラーバックライト５６を黄色に点灯した。そして、図１（Ａ）の表示単位３１〜３３に対応する電極にのみ電圧を印加した。その結果、青色の背景に、黄色で「７」の数字が表示されることを確認した。

なお、偏光板と液晶セルとの間に、視角補償フィルム等を挿入してもよい。

図６は、第５の実施例による液晶表示素子の内部構成例を示す概略的な分解斜視図である。第４の実施例においては、垂直配向型の液晶セルを用いた。第５の実施例においては、上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂ側にそれぞれ配置したツイストネマチック補償セル（上側セル）７０及びツイストネマチック駆動セル（下側セル）７１を含んで構成される２層構造のツイストネマチック液晶セルを用いた点において、第４の実施例による液晶表示素子と異なっている。

補償セル７０及び駆動セル７１の液晶層５５は、ともに正の誘電率異方性（Δε＞０）をもつ同じ液晶材料を用いて形成し、各セル７０、７１をそれぞれ、左ねじれ角９０°、右ねじれ角９０°の水平配向型液晶表示素子とした。各セル７０、７１の液晶層５５の厚さ方向の中央における液晶分子配向方向は互いに直交するようにし、また、両セル７０、７１の液晶層５５の厚さは等しくした。本図には、電圧無印加時の液晶分子の配向状態を示してある。両セル７０、７１の液晶層５５のリタデーションは、ともに１波長とした。

表示動作は、駆動セル（下側セル）７１への電圧印加のみで行い、補償セル（上側セル）７０への通電は行わなかった。

補償セル７０、駆動セル７１、上側及び下側偏光板５４ａ、５４ｂ、広帯域コレステリックフィルム７３で構成される液晶セルは、マルチカラーバックライト５６から発光される光に対して、ノーマリブラックタイプの液晶セルである。

第５の実施例による液晶表示素子の動作を説明する。前述のように、補償セル７０には通電を行わないため、補償セル７０は偏光回転子として機能する。したがって、補償セル７０に入射した右円偏光は左円偏光となって補償セル７０を出射する。また、左円偏光は右円偏光となって補償セル７０を出射する。

駆動セル７１は、電圧無印加時においては、補償セルと逆の回転方向を示す偏光回転子として機能する。また、電圧印加時においても、非表示領域ではそれと同様である。しかし、表示領域においては電圧無印加時から駆動セル７１の液晶分子の配向状態が変化（上側及び下側基板５０ａ、５０ｂにほぼ垂直に配向）し、駆動セル７１に入射した光は、偏光状態を変化させることなく駆動セル７１から出射する。

したがって、電圧無印加時、及び電圧印加時であっても非表示領域においては、２層構造の液晶セル（補償セル７０及び駆動セル７１）に入射した光は、右円偏光ならば右円偏光のまま、左円偏光ならば左円偏光のまま、２層構造の液晶セルを出射する。一方、電圧印加時、表示領域においては、右円偏光は左円偏光となって、左円偏光は右円偏光となって、２層構造の液晶セルから出射する。

したがって、第５の実施例による液晶表示素子は、第４の実施例による液晶表示素子と同様に動作し、電圧無印加時においては、表示部の全領域において、マルチカラーフロントライト６６から発せられた光が観察者に視認され、電圧印加時には、非表示領域においては、マルチカラーフロントライト６６から発せられた光が観察者に視認され、表示領域においては、マルチカラーバックライト５６から発せられた光が観察者に視認されることになる。

本願発明者は、第５の実施例による液晶表示素子のマルチカラーフロントライト６６を青色に点灯し、マルチカラーバックライト５６を黄色に点灯した。そして、図１（Ａ）の表示単位３１〜３３に対応する電極にのみ電圧を印加した。その結果、青色の背景に、黄色で「７」の数字が表示されることを確認した。

本願発明者が、様々なねじれ角の液晶セルを検討した結果、補償セル７０及び駆動セル７１のねじれ角が７０°〜２４０°のとき、第５の実施例による液晶表示素子は、実用上有効に作用することがわかった。

なお、補償セル（上側セル）７０を、これと同等の光学的機能を有する液晶性ポリマ配向位相差板である（株）ポラテクノ社製のＴｗｉｓｔａｒに置き換えても同様の効果が得られた。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。たとえば図３及び図６には、補償セル７０の上側及び下側基板５０ａ、５０ｂがそれぞれ上側及び下側透明電極５２ａ、５２ｂを備える液晶表示素子を図示したが、補償セル７０に電圧を印加しない場合は、これらは必要ではない。また、実施例においては、補償セル７０を上方に、駆動セル７１を下方に配置したが、これらの配置は逆でもよい。

また、すべての実施例において、ノーマリブラックタイプの液晶セルを用い、マルチカラーバックライトで表示領域の表示を行い、マルチカラーフロントライトで、非表示領域の表示を行った。ノーマリホワイトタイプの液晶セルを用い、マルチカラーバックライトで非表示領域の表示を行い、マルチカラーフロントライトで、表示領域の表示を行ってもよい。

更に、実施例においては、セグメントタイプの液晶表示素子について説明したが、セグメント表示とドット表示をともに行うことのできる液晶表示素子や、フルドットタイプの液晶表示素子であってもよい。

また、位相差板（位相差フィルム）は、上側基板５０ａと上側偏光板５４ａとの間、下側基板５０ｂと下側偏光板５４ｂとの間の一方または双方に挿入することが可能である。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

セグメントタイプ、セグメント表示とドット表示の複合タイプ、フルドットタイプの液晶表示素子に利用可能である。駆動方法は、単純マトリクス駆動でも、アクティブマトリクス駆動でもよい。

（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ図２以降を参照して詳説する実施例による液晶表示素子の、表示部を示す平面図、及び内部構成例を示す概略的な分解斜視図である。 第１の実施例による液晶表示素子の内部構成例を示す概略的な分解斜視図である。 第２の実施例による液晶表示素子の内部構成例を示す概略的な分解斜視図である。 第３の実施例による液晶表示素子の内部構成例を示す概略的な分解斜視図である。 第４の実施例による液晶表示素子の内部構成例を示す概略的な分解斜視図である。 第５の実施例による液晶表示素子の内部構成例を示す概略的な分解斜視図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、非表示領域の色調を調整することの可能な液晶表示素子の内部構成例を示す概略的な分解斜視図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、ドット部またはセグメント部の色調を調整することの可能な液晶表示素子の内部構成例を示す概略的な分解斜視図である。

符号の説明

３０ 表示部
３１〜３７ 表示単位
３８ 背景領域
５０ａ 上側基板
５０ｂ 下側基板
５１ａ 上側ガラス基板
５１ｂ 下側ガラス基板
５２ａ 上側透明電極
５２ｂ 下側透明電極
５３ａ 上側配向膜
５３ｂ 下側配向膜
５４ａ 上側偏光板
５４ｂ 下側偏光板
５４ｃ 上側カラー偏光板
５４ｄ 下側カラー偏光板
５４ｅ 上側直線偏光板
５４ｆ 下側直線偏光板
５４ｇ 上側１／４波長板
５４ｈ 下側１／４波長板
５５ 液晶層
５６ マルチカラーバックライト
５７ 白色バックライト
５８ 位相差板
５９ ブラックマスク
６０ エリアカラーフィルタ
６０ｒ 赤色部
６０ｇ 緑色部
６０ｂ 青色部
６０ｗ 白色部
６６ マルチカラーフロントライト
６７ 偏光分離透過・反射板
６８ 電圧印加手段
６９ Ｄ−ＢＥＦ
７０ 補償セル
７１ 駆動セル
７２ 位相差板
７３ 広帯域コレステリックフィルム

Claims (10)

1. 第１の基板と、
   前記第１の基板と略平行に配置された第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板との間に形成された液晶層と、
   前記第１の基板の前記液晶層が形成された側とは反対側に配置された第１の偏光板と、
   前記第１の偏光板の前記第１の基板が配置された側とは反対側に配置された第１の光源と、
   前記第２の基板の前記液晶層が形成された側とは反対側に配置された、偏光状態にしたがって入射光を透過させ、または反射する透過・反射板と、
   前記透過・反射板の前記第２の基板が配置された側とは反対側に配置された第２の偏光板と、
   前記第２の偏光板の前記透過・反射板が配置された側とは反対側に配置された第２の光源と
   を有し、
   前記透過・反射板は、前記第１の偏光板を透過する偏光状態の光を反射し、前記第２の偏光板を透過する偏光状態の光を透過させる液晶表示素子。
2. 前記第１または第２の光源は、複数色の光を選択的に出射することができる請求項１に記載の液晶表示素子。
3. 前記第１の偏光板及び前記第２の偏光板が、それぞれ第１の方向、及び、前記第１の方向と直交する第２の方向に透過軸を有する直線偏光板である請求項１または２に記載の液晶表示素子。
4. 前記透過・反射板の反射軸の方向と前記第１の方向とが平行な方向である請求項３に記載の液晶表示素子。
5. 前記第１の偏光板が右円偏光を透過する円偏光板であり、前記第２の偏光板が左円偏光を透過する円偏光板である、または、前記第１の偏光板が左円偏光を透過する円偏光板であり、前記第２の偏光板が右円偏光を透過する円偏光板である請求項１または２に記載の液晶表示素子。
6. 前記第１及び第２の偏光板が、それぞれ直線偏光板と１／４波長板を含んで構成される請求項５に記載の液晶表示素子。
7. 前記液晶層は、前記第１の基板と前記第２の基板との間に垂直配向して挟持される請求項１〜６のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
8. 前記液晶層は、第１の液晶層、第２の液晶層、及び、前記第１の液晶層と前記第２の液晶層との間に形成された第３の基板とを含んで構成され、
   前記第１及び第２の液晶層は、相互に逆方向にねじれ水平配向する液晶分子を含み、
   前記第１の液晶層の厚さ方向の中央に位置する液晶分子の配向方向と、前記第２の液晶層の厚さ方向の中央に位置する液晶分子の配向方向とが直交し、
   前記第１及び第２の液晶層のリタデーションが等しい
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
9. 前記第１及び第２の液晶層の液晶分子のねじれ角が７０°〜２４０°である請求項８に記載の液晶表示素子。
10. 更に、前記第１の基板と前記第１の偏光板との間、または、前記第２の基板と前記第２の偏光板との間に配置された位相差板を含む請求項１〜９のいずれか１項に記載の液晶表示素子。

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