JP2008102522A - 反射領域を有する液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好なコントラスト比性能を有する液晶表示装置を提供する。
【解決手段】背面基板１０１および前面基板１１０と、背面基板と前面基板との間に位置した液晶層１０７と、液晶層の背面基板と対向する面に対向し、外部から入射する光を液晶層に反射させて液晶層を照明する反射領域１２０とを備え、反射領域は、前面基板と対向する側に第１媒質からなる複数の凹状反射曲面１０３のアレイと、凹状反射曲面から前面基板方向に離隔して位置した散乱子１０５と、第１媒質層１０４の凹状反射曲面上に形成され、凹状反射曲面に対して散乱子を固定する第２媒質層１０６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、さらに詳細には、液晶パネル内部に外部から入射する光を反射させる反射領域を有する液晶表示装置に関する。

液晶表示装置(ＬＣＤ）は、薄型のカラーまたは単色ピクセルのアレイで作られた平板表示装置である。低消費電力であることから、液晶表示装置は、バッテリーから電力が供給される電子機器のディスプレイとして最も広く使われている。

液晶表示装置は、液晶を照明するための光源の位置によって、透過型、反射型または反射透過型に分類される。透過型液晶表示装置において、液晶は、パネルの後方にあるバックライトユニット(ＢＬＵ)によって照明される。

このような液晶表示装置は、平板ディスプレイ、テレビ、個人携帯端末(ＰＤＡ)または高輝度レベルを要求する携帯電話機のような製品に使われる。

透過型液晶表示装置の短所の一つは、照明光源としてシステムの消費電力を増加させるバックライトユニットが必要だということである。

反射型液晶表示装置では、外部光が液晶を照明するための照明源として使われる。外部光すなわち外部から液晶表示装置に入射する光は、液晶層の後ろに位置した反射器により反射される。反射型液晶表示装置は、透過型液晶表示装置におけるバックライトユニットのような能動的な照明光源の部材が必要ないため、システム全体の消費電力を大きく減少させる。したがって、反射型液晶表示装置を低消費電力であることが特に重要なデジタル時計および計算機のような製品に適用することが可能である。

しかし、反射型液晶表示装置が完全だということではない。反射型液晶表示装置はバックライトユニットのような照明光源を有さないため、外部光源で取り囲まれていない場所、すなわち、外部光のない場所では使用することができない。また、反射型液晶表示装置は、光が液晶層を２回通過しなければならないため、透過型液晶表示装置と比べてコントラスト比が低い。

低電力消費および高画質であることがいずれも重要なＰＤＡや携帯電話機のような多くの商業的に利用できる機器は、反射型および透過型液晶表示装置技術の二つの技術を単一パッケージに組合せることでこれら二つの技術の利点を有するが、この技術は、反射透過型液晶表示装置(ｔｒａｎｓｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ＬＣＤ)として知られている。反射透過型液晶表示装置は、外部環境である周囲の光源条件によって、反射型液晶表示装置と透過型液晶表示装置との間のスイッチングモードによって作動する。昼間や、十分に周囲に光源が存在する場所では、反射型液晶表示装置モードが活性化され、夜間や暗い環境では、透過型液晶表示装置モードが活性化される。

反射透過型液晶表示装置技術が完全な解決策のように見えても、低電力消費の必要性と高度の映像ディスプレイ品質との適切な均衡のために、依然としてさらに微細な調整が要求される。このような技術は、単に前記の両バージョン、すなわち、反射型および透過型液晶表示装置技術を組合せるものであるため、反射型および透過型液晶表示装置技術で生じる問題が反射透過型液晶表示装置技術でも存在する。反射透過型液晶表示装置技術を利用するデバイスの短所の一つは、反射型液晶表示装置技術に起因してコントラスト比性能特性が良くないことである。

このような短所は、反射型液晶表示装置では光が液晶層を２回通過しなければならない点と、反射器で反射される外部光線のごく一部が液晶層の照明として寄与するという点に起因する。反射型液晶表示装置において、光が液晶層を２回通過するのは必須であるため、前記の２つの原因のうち改善可能なものは、後者である。

反射器で反射される光線のうち、コントラスト比性能のために寄与する、すなわち、液晶層の照明として実質的に寄与するのは、反射器で反射された後に液晶層を垂直に通過する光線成分である。

したがって、コントラスト比性能を改善するためには、反射器で反射される光線のうち、液晶層の照明として実質的に寄与する比率を高めるために、液晶層を垂直に通過する成分を増大させる必要がある。

本発明は、このような課題を解決するために案出されたものであって、外部から液晶パネル内に入射され、反射領域で反射された光の垂直成分比率を増大させる改善をした、液晶パネル内に反射領域を有する液晶表示装置を提供するものである。

前記目的を達成するために、本発明に係る液晶表示装置は、背面基板および前面基板と、背面基板と前面基板との間に位置した液晶層と、液晶層の背面基板と対向する面に対向し、外部から入射する光を液晶層に反射させて液晶層を照明する反射領域とを備え、反射領域は、前面基板と対向する側に第１媒質からなる複数の凹状反射曲面のアレイと、凹状反射曲面から前面基板方向に離隔して位置した散乱子と、第１媒質層の凹状反射曲面上に形成され、凹状反射曲面に対して散乱子を固定する第２媒質層と、を備えることを特徴とする。

凹状反射曲面は、その断面が放物線でありうる。

散乱子は、前記凹状反射曲面の焦点もしくはそれに近い場所に位置しうる。

凹状反射曲面の高さは、放物線の焦点距離と同じでありうる。

第２媒質層は、散乱子の一部を露出させうるが、散乱子を完全に覆ってもよい。

第２媒質層は、透明の誘電体物質からなりうる。

第１媒質層は、金属からなりうる。

凹状反射曲面は、互いに接触しないで離隔しているか、互いに接触して規則的に配置されうる。

散乱子を固定する凹状反射曲面は、互いに接触または離隔した形態に不規則的に配置されうる。

散乱子は、単一の球形散乱子、コア−セル構造の球形散乱子、または散乱粒子がクラスタを形成して有効球形構造を有する散乱子のうちのいずれか一つでありうる。

散乱粒子は、コア−セル構造の球形散乱粒子または球形散乱粒子のうちいずれか一つでありうる。

散乱子は、複数の色光や特定の単一色光を散乱させうる。

背面基板の前面基板と対向する面と反対側にバックライトユニットと、バックライトユニットからの照明光を液晶層側に通過させる透過領域と、をさらに備える反射透過型の液晶表示装置でありうる。

液晶層と前面基板の間にカラーフィルターをさらに備え、散乱子は、複数の色光を散乱させうる。

透過領域に対応する位置に形成され、色光のみを通過させるカラーフィルターをさらに備え、散乱子は、色光を散乱させることにより、反射領域は、特定色光に対する有効カラーフィルターとして作用しうる。

本発明に係る液晶表示装置は、反射型の液晶表示装置でありうる。

散乱子は、特定色光を散乱させるように設けられ、反射領域は、特定色光に対する有効カラーフィルター要素として作用して、カラーフィルターを不要にしうる。

本発明によれば、反射領域を、凹状反射曲面の焦点またはそれに近い位置に誘導放射を起こす散乱子を位置させた構造に形成することによって、外部から液晶パネル内に入射し、反射領域で反射された光の垂直成分比率を大きく増大させることができる。

したがって、本発明によれば、反射型または反射透過型液晶表示装置に対して優れたコントラスト比性能を実現できる。

以下、添付された図面を参照して、本発明の実施形態に係る液晶パネル内に反射領域を有する液晶表示装置を詳細に説明する。以下、参照する図面においては、スケールを必要に応じて誇張して表現しているが、これは、発明の理解を容易にするためである。また、同一または類似した構成または媒体は、同一参照符号を繰り返して使用した。

図１および図２は、本発明の実施形態に係る液晶表示装置を示すものであり、反射透過型液晶表示装置を示す。

図１および図２を参照すれば、本発明の実施形態に係る液晶表示装置は、背面基板１０１および前面基板１１０と、背面基板１０１と前面基板１１０との間に位置した液晶層１０７と、背面基板１０１側に外部から入射される光を反射させて液晶層１０７を照明し、反射された光の垂直成分(図１ではｙ軸方向に沿う成分、すなわち液晶表示装置の厚さ方向に沿う成分)を増大させるように形成された反射領域１２０とを備える。図１および図２では、背面基板１０１側に薄膜トランジスタ(ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ)１１５が形成され、前面基板１１０側に共通電極１０８が形成された場合を示す。

本発明の実施形態に係る液晶表示装置において、背面基板１０１上には、ＴＦＴ１１５を部分的に露出させるためのコンタクトホール１１６を有するバッファ層１０２が形成されている。バッファ層１０２は、透明な絶縁物質から形成されうる。前記バッファ層１０２上には、第１媒質層１０４が形成されている。この第１媒質層１０４は、コンタクトホール１１６を通じてＴＦＴ１１５と電気的に接続されるように形成される。このとき、第１媒質層１０４は、前面基板１１０と対向する側に複数の凹状反射曲面１０３のアレイを有する。凹状反射曲面１０３から前面基板１１０側に離隔した位置には、散乱子１０５が備えられており、凹状反射曲面１０３に対して散乱子１０５を固定させるように、第１媒質層１０４の凹状反射曲面１０３上に第２媒質層１０６が備える。

第１媒質層１０４は、反射電極としての役割を有し、金属物質、例えば、アルミニウム、銅、銀、および金のうちいずれか一つからなりうる。

第２媒質層１０６は、透明誘電体物質、例えば、ＳｉＯ_２からなりうる。この第２媒質層１０６は、図１に示すように散乱子１０５の一部を露出させて形成されるか、または図２に示すように散乱子１０５を完全に覆って形成されうる。

このような構造により、本発明の実施形態に係る液晶表示装置において、反射領域１２０は、前面基板１１０と対向する第１媒質層１０４からなる複数の凹状反射曲面１０３のアレイと、この凹状反射曲面１０３から前面基板１１０側に離隔して位置した散乱子１０５と、凹状反射曲面１０３に対して散乱子１０５を固定して第１媒質層１０４の凹状反射曲面１０３上に形成された第２媒質層１０６とからなる。

凹状反射曲面１０３は、図３に示すように、その断面が放物線を有するように凹状の放物面形態に形成されたものが望ましく、散乱子１０５は、その断面が放物線を有する凹状反射曲面１０３の焦点に位置するか、またはその焦点から若干離れた位置に中心を置くように位置しうる。すなわち、凹状反射曲面１０３は、その高さｙ_ｈが凹状反射曲面１０３の焦点距離ｐとして形成されるか、これより長い距離またはこれより小さい距離として形成されうる。図３では、散乱子１０５が凹状反射曲面１０３の焦点に位置しており、凹状反射曲面１０３の高さｙ_ｈが焦点距離ｐとして形成された例を示す。

一方、図３では、各散乱子１０５が、半径がｒである単一の球形散乱子１０５ａからなる例を示すが、球形散乱子１０５ａは、単一サイズではなく、カラー画像の具現に必要なそれぞれの色光を散乱させる多様なサイズに形成されてもよい。また、散乱子１０５は、図４に示すように、異なるさまざまな色光のそれぞれを散乱させる複数の媒質の多層構造で形成されるか、中空の単一媒質層または複数媒質層で形成された球形のコア−セル構造の散乱子１０５ｂからなるか、図５に示すように、散乱粒子がクラスタを形成して有効球形散乱子１０５ｃを有する構造からなりうる。球形のコア−セル構造の散乱子１０５ｂにおける層数は、図４に示す層数に限定されず、多様な層数を有しうる。散乱粒子のクラスタからなる有効球形散乱子１０５ｃにおいて、散乱粒子は、同じタイプの粒子に限定されず、多くの異なるタイプの粒子により構成されうる。また、散乱粒子は、同じサイズに限定されず、多様なサイズを有してもよい。また、散乱粒子は、球形散乱粒子または球形のコア−セル構造の散乱粒子であってもよい。

ここで、図３ないし図５では、散乱子１０５の実質的な外形が幾何学的な球形をなす場合を示したが、散乱子１０５の形状が必ずしも幾何学的な球形に限定されるものではなく、その形状は多様に変形されうる。

図１および図２での散乱子１０５として球形散乱子１０５ａ、コア−セル構造の散乱子１０５ｂ、有効球形散乱子１０５ｃのうちいずれか一つが適用されるとき、適用される球形散乱子１０５ａ、コア−セル構造の散乱子１０５ｂまたは有効球形散乱子１０５ｃは、カラー画像具現のための複数の色光を散乱させるように構成される。この場合、後述するようにカラー具現のために前面基板１１０側にカラーフィルター１０９をさらに備えることが望ましい。

本発明の実施形態に係る液晶表示装置において、反射領域１２０は、特定波長または色光のみを反射するように設計されうる。このような反射領域１２０を形成するために、散乱子１０５として適用される球形散乱子１０５ａ、コア−セル構造の散乱子１０５ｂまたは有効球形散乱子１０５ｃは、特定波長または色光、例えば、赤色光(Ｒ)、緑色光(Ｇ)、および青色光(Ｂ)のうちいずれかの色光のみを散乱するように設けられうる。このとき、球形散乱子１０５ａは、特定色光のみを散乱させるようにそのサイズが決定されうる。コア−セル構造の散乱子１０５ｂは、特定色光のみを散乱させるようにその層数やサイズが定められうる。また、有効球形散乱子１０５ｃは、特定色光のみを散乱させるように散乱粒子のサイズが決定されうる。このように、散乱子１０５を特定色光のみを散乱させるようにした場合、反射領域１２０は、特定色光に対する有効カラーフィルター要素として作用して、カラーフィルターが不要となるが、この場合の本発明の実施形態に係る液晶表示装置の実施形態については後述する。

このように構成された反射領域１２０により、反射された光の垂直成分が増大されうるが、その根拠についての詳細な説明は後述する。

一方、本発明の実施形態に係る液晶表示装置は、図１および図２に示すように、カラー映像を表示できるように、カラーフィルター１０９をさらに備えることが望ましい。カラーフィルター１０９は、図１および図２に示すように前面基板１１０側に設けられうるが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではない。すなわち、カラーフィルター１０９は、反射領域１２０と液晶層１０７との間に位置するように設けられることもある。単色用に使用する場合には、カラーフィルター１０９は排除される。

図１および図２は、本発明の実施形態に係る液晶表示装置が反射透過型となるように、背面基板１０１の後方にバックライトユニット(ＢＬＵ)１００をさらに備え、反射領域１２０は、部分的に形成され、バックライトユニット１００からの照明光を通過させる透過領域１３０がさらに形成された例を示したものである。

図１および図２に示すように、透過領域１３０は、ＴＦＴ１１５がない部分の一部領域に形成されうる。このとき、透過領域１３０は、実質的に透明電極として形成され、反射電極である反射領域１２０と電気的に接続されて形成される。

このように、本発明の実施形態に係る液晶表示装置は、十分な照度の外部光源が存在するか、光量が十分である昼間には、バックライトユニット１００を作動させず、外部から入射された光５０ａのみが、反射領域１２０により反射されて液晶層１０７を照明するので、反射型液晶表示装置として使われうる。

十分な照度の外部光源が存在しないか、夜間においては、本発明による液晶表示装置は、バックライトユニット１００を作動させて、バックライトユニット１００からの光５０ＢＬＵで液晶層１０７を照明する。このとき、外部光が少しでも存在すれば、バックライトユニット１００からの光５０ＢＬＵとともに外部入射光５０ａも照明光として使われる。

図６および図７は、本発明の他の実施形態に係る液晶表示装置を示すものであって、散乱子１０５が特定色光のみを反射させる場合の反射透過型液晶表示装置を示す。ここで、図１および図２と同一構成要素は、同一参照符号で表記し、反復的な説明は可能なかぎり省略する。図６および図７では、図１の反射領域１２０を適用した例を示すが、図２の反射領域１２０を適用してもよいということは言うまでもない。

図６および図７を参照すれば、散乱子１０５が特定色光のみを散乱させる場合、これにより反射領域１２０は、特定波長または波長範囲の色光のみを反射させるので、実質的に反射領域１２０は、特定色光に対する有効カラーフィルター要素として作用する。この場合、図６および図７に示す部分は、液晶表示装置の一つのピクセルをなす複数のサブピクセルのうちいずれか一つを示す。

例えば、反射領域１２０は、散乱子１０５の散乱により赤色光、緑色光、および青色光のうちいずれかの色光を反射させるように形成される。したがって、液晶表示装置は、赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ反射させるように設けられた３つの反射領域１２０ユニットの２次元アレイ配列を有する。

このように反射領域１２０が特定色光のみを反射させる場合、図１において、カラーフィルター１０９は不要である。

そのかわり、透過領域１３０に対応する領域に、図６および図７に示すようにバックライトユニット１００からの照明光のうち反射領域１２０で反射される特定色光と同一色光のみを通過させるように、赤色、緑色または青色カラーフィルター要素１０９’を形成すればよい。図６においては、カラーフィルター要素１０９’が透過領域１３０上の液晶層１０７に隣接した面に形成される。図７においては、カラーフィルター要素１０９’が図１におけるカラーフィルター１０９位置に形成され、その周辺は透明材質層１０９’’で形成される。

ここで、散乱子１０５が複数の色光を散乱させる図１および図２の場合には、図面に示す部分は、液晶表示装置の一つのピクセルに該当するか、一つのピクセルをなす複数のサブピクセルのうちいずれか一つに該当しうる。

図８は、本発明である液晶表示装置のさらに他の実施形態であって、反射型液晶表示装置で構成した例を示す。

図８に示すように、本発明の実施形態に係る液晶表示装置は、図１、図２、図６および図７におけるバックライトユニット１００および透過領域１３０を有さず、反射領域１２０のみを備える。この場合、反射領域１２０は、ＴＦＴ１１５との電気的な接続のためのコンタクトホール１１６部分を除けば、背面基板１０１全面にわたって形成されうる。図８は、本発明の実施形態に係る液晶表示装置が反射型である場合であって、図１の反射領域１２０構造を適用した例を示した、図２の反射領域１２０構造を適用してもよいということは言うまでもない。

また、図８においては、図１に対応する構造を示したが、反射型液晶表示装置は、図６および図７に対応する構造を有してもよい。すなわち、本発明の実施形態に係る反射型液晶表示装置において、散乱子１０５を特定色光のみを散乱させるように形成して、反射領域１２０を特定色光に対する有効カラーフィルター要素として作用するように設け、カラーフィルター１０９を排除することも可能である。このことは、前述した多様な実施形態についての説明および図面から十分に類推できるので、その図示は省略する。

一方、図９〜図１１は、本発明の実施形態に係る液晶表示装置の、反射領域１２０をなす散乱子１０５を内包する凹状反射曲面１０３の配置を示す。前述した本発明の実施形態に係る液晶表示装置において、反射領域１２０をなす散乱子１０５を有する凹状反射曲面１０３は、図９および図１０に示すように規則的に配列されるか、または図１１に示すように不規則的に配置されうる。図９は、凹状反射曲面１０３が互いに接触しないように離隔して規則的に配列された例を示す。図１０は、凹状反射曲面１０３が互いに接触するように規則的に配列された例を示す。図１１は、凹状反射曲面１０３が互いに接触して離隔される多様な形態に不規則的に配置された例を示す。図１２は、図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ線の断面図であり、図１３は、図１１のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線の断面図である。

上述した本発明の実施形態においては、液晶表示装置が背面基板１０１側にＴＦＴ１１５を備え、前面基板１１０側に透明な共通電極１０８層を備えるとして説明および図示した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、ＴＦＴ１１５を前面基板１１０側に形成し、共通電極１０８層を背面基板１０１側に形成してもよい。この場合には、背面基板１０１側にコンタクトホール１１６を形成せず、背面基板１０１の全体にバッファ層１０２を形成し、その上に共通電極１０８層を形成する。このとき、共通電極１０８層は、反射透過型である場合には、反射領域１２０の第１媒質層１０４と透過領域１３０の媒質とからなり、反射型の場合には、反射領域１２０の第１媒質層１０４からなる。このような変形例については、上述した説明から十分に類推できるので、その図示を省略する。

以上の説明においては、本発明の実施形態に係る液晶表示装置はＴＦＴ１１５を備える構造であると説明および図示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、多様な変形が可能である。

次に、本発明のように反射領域１２０を備えることで、外部から入射され、反射領域１２０で反射された光の垂直成分を増大させることができる根拠について説明する。

反射型液晶表示装置技術の原理の中核は、液晶層１０７の背後に反射層を追加することによって、外部光源の光をガイドし、液晶層１０７を照明するため、バックライトユニット１００を不要とすることである。理想的な反射型液晶表示装置は、反射層が、任意の入射角で取り囲まれた光源からのあらゆる入射光が液晶層１０７側に完全に反射される特質を有する。

すなわち、図１を参照して説明すれば、理想的な反射型液晶表示装置においては、外部から入射されて反射領域１２０により反射された光線５０ｓｔが、バックライトユニット１００から提供される光線５０ＢＬＵと同一にできるが、これは、光線５０ｓｔがｙ軸に沿う成分、すなわち、垂直成分のみを有することを意味する。

反射光線５０ｓｔの垂直成分を極大化させるためには、反射光線５０ｓｔのｙ軸に沿う成分５０ｓｔｙを最大化し、ｘ軸に沿う成分５０ｓｔxを最小化するように反射領域１２０を改善する必要がある。

反射領域１２０を有する本発明の実施形態に係る液晶表示装置における指向反射(ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ)能の説明のために、以下では、凸状放物反射面(ｐａｒａｂｏｌｏｉｄａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏｎｖｅｘ)および凹状放物反射面(ｐａｒａｂｏｌｏｉｄａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏｎｃａｖｅ)という２つのよく知られた外形を分析する。できるだけ簡潔で具体的な分析をするために、凸状放物面(ｐａｒａｂｏｌｏｉｄａｌ ｃｏｎｖｅｘ)および凹状放物面(ｐａｒａｂｏｌｏｉｄａｌ ｃｏｎｃａｖｅ）の断面のみを考慮する。以下、凸状放物面の断面を放物線凸状に、凹状放物面の断面を放物線凹状に示す。

図１４に示すような凸放物線１０３’は、下式（１）により表現される。

ここで、ｐは焦点距離である。また、図１４に示すように、Ｆは焦点であり、凸放物線１０３’の高さｙ_ｈは、ｙ_ｈ＝ｐで与えられる。

同様に、図１５に示す凹放物線１０３ａは、下式（２）により定義された断面である。

ここで、ｐは焦点距離であり、図１５に示すように、Ｆは焦点であり、その高さｙ_ｈは、ｙ_ｈ＝ｐで与えられる。

焦点距離ｐより小さいか同じ高さ(もしくは深さ)であるｙ_ｈを有する凸放物線１０３’または凹放物線１０３ａは、浅い放物線凸状または放物線凹状として示される。したがって、図１４の凸放物線１０３’および図１５の凹放物線１０３ａは、浅い放物線凸状および放物線凹状構造である。

前記二つの輪郭、すなわち、凸放物線１０３’および凹放物線１０３ａの反射能を比較するための計算のために、凸放物線１０３’に対しては、図１４の凸放物線１０３’の３つをラインに配置した図１６の構造を、凹放物線１０３ａに対しては、図１５の凹放物線１０３ａの３つをラインに配置した図１７の構造を考慮する。単一の凸または凹にせず、ラインをなす３つの凹放物線１０３ａまたは凸放物線１０３’をシミュレーションする理由は、図１６から明白である。

単一の凸放物線１０３’構造が反射についてシミュレーションされる場合、検出器(図示せず)がｙ軸に沿ってどこかにあると仮定すると、図１６の５０ａｙｐのような光線は、検出器に到達できない。

したがって、反射型液晶表示装置の機能を利用するデバイスでは、反射層は、単一凸放物線１０３’で構成されることは望ましくなく、複数の凸放物線１０３’のクラスタがユニットを形成するように構成される必要がある。複数の凸放物線１０３’が一つのユニットにクラスタされる構造では、前述の５０ａｙｐのような光線は、孤立した単一の凸放物線１０３’構造の場合とは違って、隣接する凸放物線１０３’の面により散乱されて、図１６での５０ｓｔｙｐのような光線を作る。検出器がｙ軸方向のどこかに位置すると仮定するとき、光線５０ｓｔｙｐは、反射能に寄与する。

ラインをなす３つの凹放物線１０３ａまたは３つの凸放物線１０３’とすることにより、これらの構造は、あらゆる可能な散乱効果を十分に有する。ライン上の３つの放物線凹または凸の反射とライン上の５つの放物線凹または凸の反射とを比較すれば、反射面の面積が増加することに起因して、その性能が単純増加することを除き、残りの特性は実質的に同一である。

反射器の性能を決定する場合、検出器は、反射器から少し離れた距離に位置させる。反射器により反射されて検出器に到達できる実際の光線数は、反射器の性能を示すものである。

このような反射器の性能測定のための装置を、図１８に示すように仮定してシミュレーションした。光５０ａを、入射角Ωで反射構造に入射させる。入射光５０ａは、反射器１０３ｕにより反射された結果、反射光線５０ｓｔとなる。反射器１０３ｕからｙ軸方向に沿って１ｍ離れて位置させた検出器は、所定の角度範囲δより小さいか同じ反射角度範囲内で反射された光線５０ｓｔのみを検出できるようにする。

例えば、検出角度範囲δは、検出器が人間の目ならば、人間の目のサイズと関係した要素となりうる。図１８において、凹状反射曲面１０３の断面を示す拡大図を追加して図示した。

図１８の測定装置でウィンドウ幅の半分であるδ内で収集された散乱パワーをＦＤＴＤ(ＦｉｎｉＴＥ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ)方法を使用して計算した。ＦＤＴＤ計算は、Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，Ｉｎｃ．(ＳｕｉＴＥ ６６０−７８９ Ｗｅｓｔ Ｐｅｎｄｅｒ Ｓｔｒｅｅｔ、Ｖａｎｃｏｕｖｅｒ，Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｃｏｌｕｍｂｉａ，Ｖ６Ｃ１Ｈ２，Ｃａｎａｄａ)から購入したソフトウェアを使用した。計算においては、反射面は、アルミニウムで形成したものとし、入射ビーム５０ａおよび反射または散乱ビーム５０ｓｔが存在する媒体は、真空、すなわち、単一の屈折率とした。使われたビームは、平面波であり、偏光は、ＴＥ(Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ)モードにした。計算においては、入射ビーム５０ａは、真空中で波長を５５０ｎｍにした。遠距離長における散乱パワーは、散乱子１０５から１ｍ離れた位置で計算した。

図１９は、ｙ軸方向に反射器から１ｍ離隔して位置した検出器により集められた散乱パワーのＦＤＴＤ計算結果を示した図である。浅い放物線構造で、凸放物線１０３’または凹放物線１０３ａの高さｙ_ｈは、その焦点距離ｐより小さいか同一であるが、凸放物線１０３’構造は、指向反射において凹放物線１０３ａ構造より９％ほど性能が良い。

浅い凹放物線１０３ａ構造における指向反射が相対的に良くない理由は、放物線の基本的な特性から分かる。説明を簡単にするために、図２０に示した放物線を考慮する。放物線の焦点Ｆからの光線は、その放物線の軸に平行に、放物線により反射される。図２０において、ラインＬは、放物線における接線であり、点Ｆは、焦点であり、光線ＡＬ’は、放物線の軸であるｘ軸に平行する。ラインＬは、ＦからＡに至る光線が線分ＡＬ’に沿って反射され、ＡＬ’に沿った入力光線がＦに向かって反射されるように角度αとβとを同一にする。

図２１に示すような浅い凹放物線１０３ａの反射構造において、放物線の軸であるｙ軸に初めに入射した平行する入射光線、すなわち、５０ａｙ、５０ａｃおよび５０ａｇは、凹放物線１０３ａ面により反射され、反射光線は、放物線焦点に集束する。これらの反射光線は、浅い凹放物線１０３ａについて、これら光線を屈折させる面が存在しない焦点を通過し、ここから光線は無限に進む。したがって、５０ａｙ、５０ａｃおよび５０ａｇは、損失光線となる。

図２２に示すように、凹放物線１０３ａの高さ(または深さ)ｙ_ｈを増大させた場合、指向反射の性能は大きく改善される。できる限り簡単に説明するために、放物線の軸であるｙ軸に平行した５０ａｙ、５０ａｃおよび５０ａｇのような入射光線のみを考慮する。この場合、Δ１およびΔ３により示された凹放物線１０３ａの面上の点で反射された光線は、ｙ軸方向にのみ進行するが、これは、これら反射光線がｘ軸方向の成分を有さないことを意味する。一方、Δ２により示された凹放物線１０３ａの反射面部分で反射された光線５０ａｃの反射光線は、ｘ軸及びｙ軸成分をいずれも含む。検出器が凹放物線１０３ａの面からｙ軸方向に１ｍ離れて位置するので、検出角度δは、次の式（３）で表現されうる。

ここで、図２３に示すように、ζは、凹放物線１０３の反射面と検出器との距離、γは、検出器の幅である。人間の瞳目を物理的な検出器と見なすならば、前記幅γは１ｃｍとなる。散乱子１０５から１ｍ離れて位置した検出器に対して、ζ＝１ｍ、すなわち、γ＜＜ζとなる。高い正確性をもった検出角度δは、概ね次の式（４）で示される。

検出器が反射器からおおよそ人間の腕の長さである０．５ｍ離れているならば、検出角度δは、δ＝arctan（0.02）＝1.1458°となる。検出角度δに要求されるこのような小さな値は、反射光線においてあるｘ軸成分が非常に小さくなるか、検出器にほとんど到達しないということを意味する。もちろん指向反射の全体性能を向上させるために、図２２におけるΔ２により示した部分を効果的に減少させ、Δ１で示した部分を増加させるように、凹放物線１０３ａの深さ(または高さ)ｙ_ｈを増大させることができる。しかし、マイクロメータスケールでそのような深い凹放物線１０３ａを形成することは容易ではなく、製造工程にさらに多くのストレスを与える。

本発明の実施形態に係る液晶表示装置は、浅い凹放物線１０３ａ構造の指向反射能を改善するための他の手段を有する。

本発明の実施形態に係る液晶表示装置において、散乱子１０５は、図２４に示すように浅い凹放物線１０３ａの焦点またはそれに近い位置に置かれる。本発明の実施形態においては、散乱子１０５による誘導放射を利用する。図２４は、散乱子１０５として凹放物線１０３ａの焦点のそれぞれに単一球形構造からなる散乱子が置かれた例を示したものである。

電磁気波である入射ビームが金属球形粒子の散乱子１０５と相互作用すると、実効分極(ｎｅｔ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が散乱子１０５で誘導される。誘導分極は、入射される電場に対して反応する散乱子１０５が充電されることに起因する。光は、時間および空間で振動する電磁波であるため、散乱子１０５内の誘導分極は、入射する電磁波の周波数で振動する。電気力学によれば、振動する分極が、浅い凹放物線１０３ａの焦点に位置した散乱子１０５が放出する放射を引き起こす。

このような誘導放射は、凹放物線１０３ａの焦点から引き起こされるため、散乱子１０５からの誘導放射光線は、凹放物線１０３ａ反射面で反射されて放物線軸に平行に進み、その結果、その方向に位置した検出器により収集される。

図２４に示す本発明の実施形態に係る反射構造の性能と、図１６および図１７に示す浅い凸放物線１０３’および浅い凹放物線１０３ａに対する計算された指向反射能とを比較する。

本発明の実施形態に対するシミュレーションは、図２４に示す構造を使用して行った。

入射光線５０ａの入射角度Ωを２゜ずつ増加させ、０゜から４６゜まで変化させて検出器に収集されるパワーを計算した。図２５は、その計算結果を示す。図２５の計算結果は、δより小さいか同じ反射角度で散乱された光線、すなわち、光線５０ｓｔを考慮して得られたものである。δ＝２．５゜にし、媒質は真空にし、反射面１０３の材質は、アルミニウム物質を選択した。球形散乱子１０５の半径ｒは、r＝０．５μｍ、ｒ＝１．０μｍ、ｒ＝１．５μｍに変化させた。球形散乱子１０５に使われた物質は、シミュレーションではアルミニウムである。

図２６〜図２９は、浅い凸放物線１０３’に対して本発明の性能向上を百分率で計算して示した図である。図２６〜図２９は、浅い放物線の深さがその焦点距離ｐ＝２μｍと同一である場合の結果である。

図２６は、光線５０ａの入射角が２゜ずつ増加し、０゜から４６゜まで変化する場合の性能向上を百分率で示したものである。

図２７は、光線５０ａの入射角が２゜ずつ増加し、２゜から４６゜まで変化する場合の性能向上を百分率で示したものである。

図２８は、光線５０ａの入射角が２゜ずつ増加し、４゜から４６゜まで変化する場合の性能向上を百分率で示したものである。

図２９は、光線５０ａの入射角が２゜ずつ増加し、１０゜から４６゜まで変化する場合の性能向上を百分率で示したものである。
図２６〜図２９において、パーセント増加値は、図１６に示す、ラインをなす３つの浅い凸放物線１０３’面に対して得られた性能値と比較した値である。図２６〜図２９で浅い凸放物線１０３’に対する指向反射能のパーセント増加値は、当然０である。

図２６〜図２９では、本発明に係る実施形態の指向反射能を浅い凹放物線１０３ａの反射器の指向反射能と比較するために、浅い凸放物線１０３’に対して浅い凹放物線１０３ａの反射器の指向反射能の向上についても百分率で示した。図２６〜図２９における本発明に係る実施形態の指向反射能は、図２４の構造について得たものであり、ラインをなす３つの浅い凹放物線１０３ａ構造に対する指向反射能は、図１７の構造について得たものである。

入射光線に対する入射角が０゜〜４６゜まで変化する浅い凸放物線１０３に対する本発明に係る実施形態の百分率における指向反射能の向上は、r＝０．５０μｍ、r＝０．７５μｍ、r＝１．００μｍ、r＝１．２５μｍ、r＝１．５０μｍに対してそれぞれ５５．４５％、３３．１９％、４４．３６％、２０．９９％、２７．６５％である。これに比べて凸放物線１０３に対比した浅い凹放物線１０３ａの百分率における指向反射能の向上は、−８．９７％である。

入射光線に対する入射角が２゜〜４６゜まで変化する浅い凸放物線１０３に対する本発明に係る実施形態の百分率における指向反射能向上は、r＝０．５０μｍ、r＝０．７５μｍ、r＝１．００μｍ、r＝１．２５μｍ、r＝１．５０μｍに対してそれぞれ９．１２％、１２．５４％、９．７１％、１０．２９％、１０．８１％である。これに比べて凸放物線１０３に対比した浅い凹放物線１０３ａの百分率における指向反射能向上は、−１５．０５％である。

したがって、要約すると、浅い凹放物線１０３ａの焦点またはそれに近い位置に誘導放射を起こす散乱子１０５を位置させることによって、反射器の性能が、浅い凹放物線１０３ａおよび浅い凸放物線１０３’反射構造に比べて大きく改善される。

本発明は、液晶表示装置関連の技術分野に好適に用いられる。

本発明の実施形態に係る液晶表示装置を示す図である。 本発明の実施形態に係る液晶表示装置を示す図である。 本発明の実施形態に係る液晶表示装置の反射領域に適用される散乱子の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態に係る液晶表示装置の反射領域に適用される散乱子の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態に係る液晶表示装置の反射領域に適用される散乱子の実施形態を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る液晶表示装置を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る液晶表示装置を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る液晶表示装置を示す図である。 本発明の実施形態に係る液晶表示装置に適用される反射領域をなす散乱子を内包する凹状反射曲面配置の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態に係る液晶表示装置に適用される反射領域をなす散乱子を内包する凹状反射曲面配置の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態に係る液晶表示装置に適用される反射領域をなす散乱子を内包する凹状反射曲面配置の実施形態を示す図である。 図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ線における断面図である。 図１１のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線における断面図である。 浅い放物線凸状反射面の断面図である。 浅い放物線凹状反射面の断面図である。 ラインをなす３つの浅い放物線凸面を示す図である。 ラインをなす３つの浅い放物線凹面を示す図である。 散乱パワー測定のための装置の概略図である。 図１８の測定装置に表記されたδの角度範囲内で集められた散乱パワーの計算結果を示す図である。 放物線を示す図である。 高さｙ_ｈ＝ｐである浅い放物線凹面の断面内での反射力学について示す図である。 高さｙ_ｈ＝２ｐである深い放物線凹面の断面内での反射力学について示す図である。 検出角度δの決定方法を示す図である。 図２１に示す３つの構造がラインをなすように配置された本発明の実施形態の反射領域構造を示す図である。 散乱子の半径による図１８の測定装置に表記されたδの角度範囲内で集められた散乱パワーの計算結果を示す図である。 光線の入射角が２゜ずつ増加し、０゜から４６゜まで変化する場合の性能向上を百分率で示す図である。 光線の入射角が２゜ずつ増加し、２゜から４６゜まで変化する場合の性能向上を百分率で示す図である。 光線の入射角が２゜ずつ増加し、４゜から４６゜まで変化する場合の性能向上を百分率で示す図である。 光線の入射角が２゜ずつ増加し、１０゜から４６゜まで変化する場合の性能向上を百分率で示す図である。

符号の説明

５０ａ、５０ＢＬＵ 光、
５０ｓｔ 光線、
１００ バックライトユニット、
１０１ 背面基板、
１０２ バッファ層、
１０３ 凹状反射曲面、
１０４ 第１媒質層、
１０５、１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ 散乱子、
１０６ 第２媒質層、
１０７ 液晶層、
１０８ 共通電極、
１０９ カラーフィルター、
１０９’ カラーフィルター要素、
１０９’’ 透明材質層、
１１０ 前面基板、
１１５ 薄膜トランジスタ、
１１６ コンタクトホール、
１２０ 反射領域、
１３０ 透過領域。

Claims (25)

1. 背面基板および前面基板と、
   前記背面基板と前面基板との間に位置した液晶層と、
   前記液晶層の前記背面基板と対向する面に対向し、外部から入射する光を前記液晶層に反射させて前記液晶層を照明する反射領域とを備え、
   前記反射領域は、
   前記前面基板と対向する側に第１媒質からなる複数の凹状反射曲面のアレイと、
   前記凹状反射曲面から前記前面基板方向に離隔して位置した散乱子と、
   前記第１媒質層の前記凹状反射曲面上に形成され、前記凹状反射曲面に対して前記散乱子を固定する第２媒質層と、
   を備えることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記凹状反射曲面は、その断面が放物線であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記散乱子は、前記凹状反射曲面の焦点もしくはそれに近い場所に位置することを特徴とする請求項２に記載の液晶表示装置。
4. 前記凹状反射曲面の高さは、前記放物線の焦点距離と同じであることを特徴とする請求項２に記載の液晶表示装置。
5. 前記第２媒質層は、前記散乱子の一部を露出させていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
6. 前記第２媒質層は、前記散乱子を完全に覆っていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
7. 前記第２媒質層は、透明の誘電体物質からなることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
8. 前記第１媒質層は、金属からなることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
9. 前記凹状反射曲面は、互いに接触しないで離隔しているか、互いに接触して規則的に配置されることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
10. 前記散乱子を固定する凹状反射曲面は、互いに接触または離隔した形態に不規則的に配置されることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
11. 前記散乱子は、単一の球形散乱子、コア−セル構造の球形散乱子、または散乱粒子がクラスタを形成して有効球形構造を有する散乱子のうちのいずれか一つであることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の液晶表示装置。
12. 前記散乱粒子は、コア−セル構造の球形散乱粒子または球形散乱粒子のうちいずれか一つであることを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示装置。
13. 前記散乱子は、複数の色光や特定の単一色光を散乱させることを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示装置。
14. 前記背面基板の前記前面基板と対向する面と反対側にバックライトユニットと、
    前記バックライトユニットからの照明光を前記液晶層側に通過させる透過領域と、
    をさらに備える反射透過型の液晶表示装置であることを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示装置。
15. 前記液晶層と前記前面基板の間にカラーフィルターをさらに備え、
    前記散乱子は、複数の色光を散乱させることを特徴とする請求項１４に記載の液晶表示装置。
16. 前記透過領域に対応する位置に形成され、色光のみを通過させるカラーフィルターをさらに備え、
    前記散乱子は、前記色光を散乱させることにより、前記反射領域は、特定色光に対する有効カラーフィルターとして作用することを特徴とする請求項１４に記載の液晶表示装置。
17. 反射型の液晶表示装置であることを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示装置。
18. 前記液晶層と前記前面基板側の間にカラーフィルターをさらに備え、
    前記散乱子は、複数の色光を散乱させることを特徴とする請求項１７に記載の液晶表示装置。
19. 前記散乱子は、特定色光を散乱させるように設けられ、前記反射領域は、特定色光に対する有効カラーフィルター要素として作用して、カラーフィルターが不要になったことを特徴とする請求項１７に記載の液晶表示装置。
20. 前記背面基板の前記前面基板と対向する面と反対側にバックライトユニットと、
    前記バックライトユニットからの照明光を前記液晶層側に通過させる透過領域と、
    をさらに備える、反射透過型の液晶表示装置であることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の液晶表示装置。
21. 前記液晶層と前記前面基板の間にカラーフィルターをさらに備え、
    前記散乱子は、複数の色光を散乱させることを特徴とする請求項２０に記載の液晶表示装置。
22. 前記透過領域に対応する位置に形成され、色光のみを通過させるカラーフィルターをさらに備え、
    前記散乱子は、前記色光を散乱させることにより、前記反射領域は、特定色光に対する有効カラーフィルター要素として作用することを特徴とする請求項２０に記載の液晶表示装置。
23. 反射型の液晶表示装置であることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の液晶表示装置。
24. 前記液晶層と前記前面基板の間にカラーフィルターをさらに備え、
    前記散乱子は、複数の色光を散乱させることを特徴とする請求項２３に記載の液晶表示装置。
25. 前記散乱子は、特定色光を散乱させるように設けられ、前記反射領域は、特定色光に対する有効カラーフィルター要素として作用して、カラーフィルターが不要になったことを特徴とする請求項２３に記載の液晶表示装置。

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