JP2007506129A - コントラストが向上した半透明型ディスプレイ - Google Patents

Abstract

本発明は、半透明型液晶ディスプレイの透過モードにおいて、改良されたコントラストを提供する。半透明型液晶ディスプレイは、リアスタック偏光手段（302）を有し、この手段は、所望の偏向状態の光を透過し、好ましくない逆偏向の光を反射する。反射防止手段（306）の設置により暗状態が強調されるため、コントラストが改善される。反射防止手段は、半透明板（301）とリアスタック偏光器（302）との間に配置され、リアスタック偏光器（302）を透過して半透明板（301）の方に進行する光が、半透明板（301）で反射されて逆にリア偏光器（302）の方に向かうことを防止する役割を果たす。これにより、誤った偏向を有する不要な反射光が、半透明板301を透過することが防止され、さらには透過モードでのディスプレイの暗状態に悪影響を及ぼすことが防止できる。

Description

本発明は、液晶ディスプレイ装置に関し、特にコントラストが向上した半透明型液晶ディスプレイ装置に関する。

通常、超ねじれネマチック液晶ディスプレイ（STN−LCD）、アクティブマトリクス液晶ディスプレイ（AM−LCD）およびカラー超ねじれネマチック液晶ディスプレイ（CSTN−LCD）のような半透明型液晶ディスプレイは、携帯用途向けに広く使用されている。そのようなディスプレイ装置は、比較的電力消費量が低いこと、および前面スクリーン特性が良好であることから、好まれて使用される。半透明型液晶ディスプレイは、反射モードでは外部光を反射し、透過モードでは予備光源（例えばバックライト）からの光を透過する機能を有することに特徴がある。従って、そのような半透明型ディスプレイを有する装置では、明状態と暗状態のいずれにおいても許容可能な可読性が得られる。

半透明型ディスプレイの基本原理は、例えば英国特許出願2101347号で良く知られている。半透明型液晶ディスプレイは、フロント基板とリア基板とを有するディスプレイセルを有し、それらの基板の間には、液晶材料の層が設置される。フロント偏光器または検光器および補償膜は、ディスプレイセルの前面に重ねて設置される。また、半透明板、1／4波位相差素子、直線偏光素子および光源（例えばバックライト)を有する光リアスタックは、リア基板の後方にこの順に重ねて設置される。

反射モードでの作動時、およびセルが活性化されておらず、フロント電極とリア電極の間の回路が開状態にあるときは、フロント基板に入射する外部光は、整列した液晶層によって吸収される。従って観者は、表示セルを暗く感じる。一方、セルが活性化されているとき（すなわち液晶層が電場にさらされている場合）は、液晶の向きは、フロントおよびリア基板に対して実質的に垂直であり、フロント基板に入射する外部光の相当の部分は、セルを通過し、半透明板で反射され、観者の方に戻る。従って観者は、ディスプレイを明るいと感じる。

しかしながら、外部光がディスプレイにおいて可読画像を放射するには不十分な場合、光源が作動して透過モードとなる。透過モードとなった場合、光源から放射されるランダムに偏向された光は、光リアスタックで円偏向され、半透明板を透過する。これに対して、液晶セルが不活性な場合、光源から液晶セルに照射される円偏向された光は、整列された液晶に吸収される。そのため液晶は、閉止光バルブとして機能し、不活性セルは、暗く認識される。そのような効果が生じるためには、すなわち光バルブを閉じた状態にするには、光は正確に偏向される必要がある。そうでなければ、光は、セルを通過して暗状態を妨害してしまうからである。一方、セルが活性状態にあり、液晶分子が基板に対して垂直に配向されている場合、半透明板を通過する光の相当部分は、セルから観者の方に向かって放射され、ディスプレイは明るく見える。

従って、半透明型液晶ディスプレイの光リアスタックの役割は、バックライトから入射されるランダムに偏向された光を純粋な円偏光に変換することである。光は、液晶セルの配列に応じて、左側または右側に円偏光される。従来より、この変換は、前述の直線偏光器および1／4波位相差器を用いて行われている。しかしながら、直線偏光器および1／4波位相差器を用いて、偏向されていない光を円偏向された光に変換した場合、比較的変換率は低くなる。直線偏光器は、バックライトから放射されるいかなる光をも吸収し、この中には誤った方向の偏光も含まれるからである。

このため、前述の変換率を実質的に向上させるための解決策が提案されている。その解決策では、リア偏光器と1／4波位相差器ではなく、ピッチが短く平坦なねじれネマチック高分子層（TN層）によって、円偏光が提供される。TN層は、十分に短いピッチを有するため、バックライトから放射される光の半分を反射し、バックライトから放射される光の半分を透過する。透過した光は、反射された光と同様、円偏向される。特に、ねじれ層の回転方向が右向き（左むき）の場合、反射光は、右向き（左向き）の円偏光となり、透過光は、左向き（右向き）の円偏光となる。結局、ランダムに偏向された光のうち、左および右向きに円偏向された光部分がTN高分子層によって分離され、一部は透過し、残りの部分は反射されることになる。

このように、直線偏光器／位相差器配置をTN高分子層に置き換えることの利点は、バックライトから偏光器に照射される光（正しい偏向が生じた光の一部）が、透過してディスプレイに有効利用され、あるいはバックライトの方に向かって反射され、再利用されることである。これは、透過されない光を吸収して直線偏光器で消費するような、直線偏光器／位相差器配置とは逆の特性である。その結果、リア光スタックにおける1／4波位相差器および直線偏光器をねじれネマチック高分子層と置換することにより、実質的に透過率を高めることが可能となる。
英国特許出願公開第2101347号明細書

しかしながらTN高分子層を用いた設計によって、光学特性が向上したとしても、リア偏光器および1／4波位相差器をねじれネマチック高分子相に置換することに起因したいくつかの問題が生じる。そのような問題の一つは、透過モードでは暗状態におけるコントラストが低くなることである。

そのため、本発明では、ねじれネマチック高分子層を利用し、暗状態でのコントラストか改善された半透明型液晶ディスプレイを提供することを課題とする。

本発明は、バックライトから放射されTN高分子層を透過する光、および半透明板によって反射される光の大部分は、半透明板での反射時に逆偏光されるため、ねじれネマチック高分子層によって再度反射されるという認識に基づくものである。すなわち、半透明板によって反射された光の偏向は、反射時に反転される。戻ってくる光は、今度は反対の偏向状態でねじれネマチック層に照射されるため、全ての反射光が逆に半透明板の方に進行する。結果的に、反転された偏向を有する光は、半透明板を透過して液晶セルの方に進むため、暗状態の劣化が生じ、コントラストが低下する。また本願発明者は、半透明板の後側での光反射を有効に抑制することによって、この暗状態の劣化の影響を除去することができ、これにより、透過モードの暗状態でのコントラストを改善することができることを見出した。

ねじれネマチック高分子層をベースとした偏光器には、ある特定の偏向状態にある光を透過し、逆の状態に偏向された光を反射する特性を有するという特徴がある。本発明では、そのような特性を有する偏光器を、より一般的に反射型偏光器と称する。誤った偏向の光を吸収する前述の直線偏光器は、より一般的に吸収偏光器と称する。

このように、本発明のある態様では、液晶層、半透明板、反射型偏光器およびバックライトがこの順に重ねられた半透明型液晶ディスプレイ装置が提供される。前記バックライトは、前記半透明板の方に向かって光を放射するように作動し、前記半透明板は、前記光の第1の部分に対しては透過性で、前記光の第2の部分に対しては不透過性である。さらにディスプレイ装置は、前記半透明板とねじれネマチック高分子層との間に配置された反射防止手段を有し、前記反射防止手段は、光の前記第2の部分が逆に前記ねじれネマチック高分子層に向かって進行することを回避するように作動する。

従って、反射防止手段の設置によって、逆偏向の光が半透明板を透過して液晶ディスプレイセルに向かうことが回避される。これにより、暗状態の劣化が回避され、透過モードでのディスプレイコントラストが改善される。当然のことながら、反射防止手段は、半透明板の後ろ側に配置されるため、反射モードでのディスプレイの特性は、影響を受けない。

このように反射防止手段は、光がTN高分子層の方に戻ることを防止する機能を果たす。反射防止手段は、反射された光を吸収し、および／または反射が生じることを防止する、ブラック表面として配置することができる。

いかなるタイプの半透明板が用いられても良く、重要な特性は、外部光を反射し、バックライト配置側からの光を透過することである。バックライトからの光の一部が、逆偏光としてTN高分子層の方に反射される限り、本発明によって、ディスプレイの透過モードにおいて改善された暗状態を提供することができる。

しかしながら、適正な機能を発揮させるために重要な事項は、半透明板を通過する光を光の残りの部分から分離する特性である。光は、周囲に影響を及ぼさず、除去される必要がある。従って、ミラーに孔を有するタイプの半透明板が提案され、これにより、明確な透過領域および非透過領域が提供される。

このように、本発明では、特にミラーに孔を有するタイプの半透明板を有する半透明型ディスプレイに適用することができる。この発明の場合、ミラーに孔を有するタイプの半透明板は、透過部と非透過部とを有する半透明板である。従って、半透明板では、照射光の一部が透過部を透過し、光の一部は、非透過部で遮蔽される。最も基本的な例は、孔が設けられたミラーである。この孔は、例えば分散された打ち抜き孔またはスリットで構成される。例えば、通常、透過／反射比が10／90の、ミラーに孔を有するタイプの半透明板は、10％の孔と90％の不透過性材料（通常、いくつかの反射材料）で構成される。当然のことながら、ミラーに孔を有するタイプの半透明板内の孔は、実際の孔である必要はなく、その代わりに半透明板は、相互に分離された一つの透過領域と一つの非透過領域とを有しても良い。

反射防止手段は、半透明板を透過する光を遮断せずに、不透過性の光を吸収させることができれば、いかなる構造を有しても良い。すなわち反射防止手段は、実際には、必ずしも反射を防止する必要はなく、その代わりに、反射光を吸収するように配置されても良い。さらに、反射防止手段は、いくつかの異なる方法で配置されても良い。例えば、反射防止手段は、光吸収層（いわゆるブラックマスク）または抗反射コーティングで構成される。通常抗反射コーティングは、いくつかの薄層で構成される。

半透明板がリア基板の前面に配置される場合、リア基板と半透明板の間に追加のブラック吸収層が挿入される。その場合、半透明板と吸収層は、透過領域と不透過領域の対応パターンを有することが好ましい。

ブラック層は、ミラーに孔を有するタイプの半透明板と同一のパターンでエッチングされることが好ましい。

あるいは、光反射層および光吸収層のスタックを用いて、光吸収が行われても良い。これらの層は、全て同一の製造処理ステップにおいてエッチングされることが好ましい。

ある実施例では、反射層および吸収層のスタックは、Crで構成された少なくとも一つの反射層、およびCrOxで構成された少なくとも一つの吸収層を有する。

別の実施例では、リア基板とねじれネマチック高分子層の間に、パターン化されたブラック層が印刷または設置される。

反射防止手段が、既存の製造装置を用いて、従来のディスプレイに対して実質的に全般的な形状を変えずに、多くの異なる方法で配置されることは明らかである。いかなる特定の実施例において選択された方法も、既存の製造装置、所望のスタック構成等によって得ることができる。

ある実施例では、液晶は、ねじれネマチック（TN）型、超ねじれネマチック（STN）型、または非ねじれネマチック型である。

以下、添付図面を参照して、本発明による半透明型液晶ディスプレイ装置の実施例を説明する。

本発明をより良く理解するため、まず従来技術について詳細に説明する。図1には、半透明型液晶ディスプレイ装置100を有する携帯装置が示されている。同図には、半透明型液晶ディスプレイユニットの拡大断面図も示されている。ディスプレイユニットは、液晶セル108を有し、この液晶セルは、ガラス等で構成されたフロント基板104およびリア基板103と、両基板に挟まれた液晶層109とを有する。フロント基板の前面には、フロント散乱層107、フロント補償層106、および検光器101が設置される。リア基板の背面には、半透明板108が配置されており、この半透明板108は、透過部および反射部が形成されるようにパターン化されている。また、ねじれネマチック高分子層105と、バックライト102とが、この順番で重なるように設置されている。

図2には、ブラックライトからの光が、従来の半透明型装置のリアスタックに伝播する様子を概略的に示す。リアスタックは、光ガイド205および拡散器204を有するバックライト203と、ねじれネマチック高分子層202と、半透明板201とを有する。図において、バックライトから放射された光は、100％と表される。この光は、ランダムに偏向されるため、光の50％が反射されてバックライトの方向に戻り（この光は再利用される）、50％の光がTN層202を透過する。この特定の例では、半透明板の透過／反射の比は、20／80であり、入射光の20％が透過し、入射光の80％が反射する。比が20／80のため、10％（50％のうちの20％）は、半透明板201を透過し、40％（50％のうちの80％）は、TN層202の方に反射される。矢印で示すように、反射光の円偏光は、反転される。従って、40％の反射光の全てが再度TN層202で反射され、半透明板201の方に進行する。今度は、8％（40％のうちの20％）の光は、誤った偏光を有し、半透明板201を透過し、32％の光は、TN層202の方向に反射される。しかしながら、円偏光は、反転されるため、32％の光の全てがTN層202を透過し、バックライト203に向かって進行する。従って、反対の偏光方向を有する光の2つの部分が半透明板を透過し、ディスプレイ装置には、前述のような暗状態の劣化、さらにはコントラストの低下が生じる。この特定の例では、10％の光が正しい偏光として透過し、8％の光が誤った偏光として透過する。

前述の問題を解消するため、本発明では、図3に示す方法が提案される。従来技術と同様に、本発明は、拡散器304および光ガイド305を有する光源303と、TN高分子層302と、20／80半透明板301とを有する。ただし、半透明板301とTN層302の間には、ブラック光吸収層306が配置される。前述の場合と同様、図3では、バックライトから放射される光は、100％で表されており、この光の50％がTN層302で反射され、バックライト303の方に戻り、この光は、光ガイド305内で再利用される。TN層203を透過した残りの50％の光は、半透明板301の方に向かって進行する。半透明板は、透過／反射比が20／80であるため、10％（50％のうちの20％）の光は、これを透過する。しかしながら、光吸収層306は、残りの光を吸収するため、TN層302の方に向かって反射される光は存在しない。従って、いかなる有害な反射も回避される。

次に、図4に示されている、本発明の第1の実施例による半透明型液晶ディスプレイ装置400について説明する。液晶ディスプレイ装置400は、液晶セル410を有し、この液晶セルは、例えばガラス等で構成されたフロント基板411およびリア基板415と、液晶層412とを有し、この液晶層は、フロント基板411とリア基板415の間に設置される。光散乱層403、補償層402および偏光器401は、この順番でフロント基板411の上部に重ねて設置される。半透明板413は、リア基板415の上部に重ねて設置され、ねじれネマチック高分子層404とバックライト配置405とは、リア基板415の下側に配置される。

また、本実施例では、半透明板413とリア基板415の間には、ブラック光吸収層414の形態の反射防止手段が設置される。ただし反射防止手段は、半透明板とTN高分子層の間のいずれの位置に設置されても良い。

反射防止手段は、例えば印刷によって、または別々に選択エッチングされた層によって提供される。

ある実施例では、図5に示すように、半透明板503は、リア基板とTN層504の間に配置され、反射防止手段は、半透明板503とTN層504の間に設置された追加のブラック層502として機能する。半透明板層503は、例えばCrで構成されても良く、光吸収層は、例えばCrxOx（酸化クロム）で構成されても良い。ブラック層502は、半透明板と同一の処理でエッチングされることが好ましく、これにより、製造処理工程を簡略化することができる。この特定の図には、半透明板の配置が詳細に示されており、半透明板は、光に対して不透過の領域510と、光を透過する領域520とを有する。これは、ミラーに孔を有する通常の配置である。

別の実施例では、図6に示すように、反射防止手段600は、抗反射層601、602、603からなるスタックを有する。抗反射層は、従来技術であり、いかなる利用可能な抗反射材料を使用しても良い。スタックは、半透明板上に直接配置され、または半透明板とは離して設置される。

本発明の前述の実施例は、本発明を限定するものではないことに留意する必要がある。前述の実施例は、本発明の利用法を示すための一例として示されているに過ぎない。当業者には、特許請求の範囲に記載されている本発明の思想および範囲から逸脱しないで、本発明の多くの代替実施例を考案することが可能である。

要約すると、本発明は、リアスタック偏光手段302を有する半透明型液晶ディスプレイの透過モードにおいて、改良されたコントラストを提供する。リアスタック偏光手段は、所望の偏光の光を透過し、逆偏向の不要な光を反射する。反射防止手段306の設置によって暗状態が強調され、これによりコントラストが向上する。反射防止手段は、半透明板301とリアスタック偏光器302の間に配置され、リアスタック偏光器302を透過して、半透明板301の方に向かう光が、半透明板301で反射されてリアスタック偏光器302の方に進行することを防止する役割を果たす。これにより、誤った偏向を有する不要な反射光が、半透明板301を透過することが防止され、さらには透過モードでのディスプレイの暗状態に悪影響を及ぼすことが防止できる。

従来の半透明型液晶ディスプレイユニットを有する携帯型ユニットの一例を示す図、およびそのようなディスプレイの拡大断面図である。 ねじれネマチック高分子層を有する半透明型液晶ディスプレイユニットの透過モードでの光の進行を示す図である。 透過モードでの作動状態にある本発明の半透明型ディスプレイの光の進行を示す図である。 本発明による半透明型液晶ディスプレイの実施例を概略的に示す図である。 ブラック吸収層の設置を含む、反射防止手段を提供する一方法を示す図である。 半透明板の下側の反射層および吸収層のスタックの提供を含む、反射防止手段を提供する別の方法を示す図である。

Claims (8)

1. 液晶層、半透明板、リア偏光手段およびバックライトがこの順に重ねられた半透明型液晶ディスプレイ装置であって、
   前記バックライトは、前記半透明板の方に向かって光を放射するように作動し、前記半透明板は、前記光の第1の部分に対しては透過性で、前記光の第2の部分に対しては不透過性であり、前記リア偏光手段は、第1の偏向を有する光を透過し、前記第1の偏向とは反対向きの第2の偏向を有する光を反射するように作動し、
   さらに当該ディスプレイ装置は、前記半透明板と前記リア偏光手段の間に配置された反射防止手段を有し、前記反射防止手段は、光の前記第2の部分が逆に前記リア偏光手段に向かって進行することを回避するように作動する、半透明型液晶ディスプレイ装置。
2. 前記リア偏光手段は、ねじれネマチック高分子層であることを特徴とする請求項1に記載の半透明型液晶ディスプレイ装置。
3. 前記半透明板は、ミラーに孔を有するタイプの半透明板であり、光を透過する領域と、光を透過させない領域とを有することを特徴とする請求項1に記載の半透明型液晶ディスプレイ装置。
4. 前記反射防止手段は、ブラック光吸収層を有することを特徴とする請求項1に記載の半透明型液晶ディスプレイ装置。
5. 前記ブラック光吸収層は、クロム酸化物を有することを特徴とする請求項4に記載の半透明型液晶ディスプレイ装置。
6. 前記半透明板および前記ブラック光吸収層は、光を透過する領域と光を透過させない領域に対応するパターンを有することを特徴とする請求項3または4に記載の半透明型液晶ディスプレイ装置。
7. 前記反射防止手段は、抗反射層のスタックを有することを特徴とする請求項1に記載の半透明型液晶ディスプレイ装置。
8. 前記液晶は、ねじれネマチック型、超ねじれネマチック型または非ねじれネマチック型のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の半透明型液晶ディスプレイ装置。

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