JP2010079180A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラスチック液晶セルを含み、色偏光板と反射型偏光板を使って反射光をメタリックカラー化したフロントパネルに対して、コントラストを向上させながら設計や製造工程を複雑化させない。そしてフロントパネルの下にある表示ユニットや他の部材を見えにくくする。
【解決手段】液晶セル１０の液晶層中央にある液晶分子２４の長軸と可撓性基板３の遅相軸２６とが平行である。同時に色偏光板４の吸収軸２７と可撓性基板３に接する液晶分子２５の長軸とが平行である。
【選択図】図２

Description

本発明は、反射型偏光板上に液晶セルを積層した表示装置に関する。

反射型偏光板上に液晶セルが積層された積層部（体）を備えた表示装置は、金属調の反射面を持つ文字板として腕時計で商品化されたことがある。この発展形として例えば下記特許文献１の請求項１には、「…液晶セルの視認側に配置した…吸収型偏光板と、前記液晶セルの視認側と反対側に配置した…反射型偏光板と、…吸収型偏光板と…反射型偏光板との間に配設した色フィルターと、からなることを特徴とする液晶表示装置。」が記載されている。同時に請求項１３には、「…前記色フィルターが、透過容易軸と直交する振動面を持つ直線偏光は特定の光のみ透過して他の波長の光は吸収し、透過容易軸と平行な振動面を持つ直線偏光は全て透過する色偏光板である…」という記載がある。このように反射型偏光板上に色偏光板を積層し、さらに上部に液晶セルと吸収型偏光板を配置すると、液晶層がオフの領域がメタリックな着色領域となり、液晶層がオンの領域が透過領域になる光シャッターを作ることができる。

本願発明者は、前述の構造にしたがって、反射型偏光板上に色偏光板、プラスチック液晶セル、吸収型偏光板を積層し、光シャッター機能を有するフロントパネルを作成し、液晶表示モジュール上に配置した。この表示装置は、待機モードではフロントパネル全面がメタリック調に着色し、画像表示モードになるとフロントパネル上に液晶表示モジュール（表示ユニット）の画面が現れる。この様子を図４に示す。図４は本願発明者らが開発した表示装置の斜視図である。（ａ）は待機モードを示し、表示装置４１の上面（フロントパネル）は全面がメタリック調に着色している。（ｂ）は画像表示モードを示し、フロントパネルの一部が透明になり液晶表示モジュールの画面４２が出現している。（ｃ）は時計表示モードを示し、フロントパネルに時計表示部４３に時刻が表示される。しかしながら、この表示装置では反射型偏光板におけるコントラスト（反射光と透過光の比）が十分でなかったため、待機モードおいて液晶表示モジュールや時計表示用の背面照明装置が僅かに透けて見えてしまった。

プラスチック液晶セルがコントラストを低下させる原因として、プラスチック基板に存在する小さな複屈折（光学異方性）が知られている。この解決方法としては、例えば下記特許文献２に記載のものが知られている。特許文献２の請求項には「基板間に液晶を封入してなる液晶表示装置において、前記プラスチックの光学異方性ｄΔｎ（ｄ：基板の厚さ，Δｎ屈折率異方性）を１５ｎｍ以下とするか、若しくは前記プラスチック基板の光学異方軸の方向と該基板の液晶配向処理方向との間の角度を前記光学異方性ｄΔｎの値に対応して４５°より小さな所定の値に設定した‥‥」と記載されている。なお、一般に、プラスチック基板用のフィルム製造工程においては、フィルムが、巻き取り時や引き出し時に延伸されるため、得られるプラスチック基板には光学異方性が発生する。
特開２０００−３１４８７９号公報（請求項１，１３） 特開昭６０−７８４２０号公報（請求項１）

しかしながら、特許文献２に記載された液晶セルでは、角度設定が基板の光学異方性ｄΔｎに依存した中間的な値をとるため設計や製造が煩瑣になる。

さらに特許文献１には、１枚の液晶セルで構成された液晶表示装置に関する条件が示さ
れているだけで、前述のようなプラスチック液晶セルの下に表示ユニットを備えた表示装置については何ら開示されていない。

本発明は、上記従来技術の有する問題に鑑みてなされたものであり、可撓性基板の光学異方性に起因するコントラスト低下を低減させても設計や製造工程が複雑化しない表示装置を提供することを目的とする。

さらに本発明は、反射型偏光板と液晶セルが積層された構造において、液晶セルの裏側に配置された部材が透けて見える現象を低減させることができる表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、２枚の可撓性基板間にツイストネマチック液晶層を挟持した液晶セルを有し、該液晶セルに対し視認側とは反対側に反射型偏光板が積層された表示装置において、２枚の可撓性基板が光学異方性を有し、液晶層への電圧無印加時には液晶層の厚み方向の中央に位置する液晶分子の長軸が２枚の可撓性基板の遅相軸または進相軸と平行となっており、液晶セルの視認側とは反対側にある可撓性基板に接触する液晶分子の長軸方向と、反射型偏光板の反射軸とが平行となっていることを特徴とするものである。

この場合、反射型偏光板に対し液晶セルとは反対側に、表示用の画面を有する表示ユニットが備えられていてもよい。

さらに、反射型偏光板の下に表示ユニットを備えてもよい。

液晶セルの平面積は表示ユニットの画面より大きくてもよい。

可撓性基板の遅相軸は、可撓性基板の延伸方向に対し平行または垂直であることが好ましい。

表示ユニットは液晶表示モジュールまたは有機ＬＥＤ表示モジュールであってもよい。

本発明によれば、２枚の可撓性基板間で光学異方性が相殺され、液晶セルに入射した直線偏光が概ね直線偏光として出射するので、コントラスト低下を低減することができる。このとき偏光板や可撓性基板の光軸（透過軸、遅相軸等）が、光学異方性に依らずそれぞれ４５°又は９０°の関係を保っているため設定角度が単純化するので、設計や製造工程が複雑化しない。

さらに本発明によれば、液晶セルと偏光板からなる積層体のコントラストが向上しているため、この積層体の下に設けた部材が透けて見える程度が改善される。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１により本発明の実施形態における積層構造を説明する。図１は、本実施形態に係る表示装置を示す要部断面図である。概観すると、液晶セル１０の上下には吸収型偏光板１と色偏光板４が貼りつけられており、さらに色偏光板４の下面には反射型偏光板１２が貼付けられている。反射型偏光板１２の下には液晶セル１０より幅の狭い表示ユニット１１
が取り付けられている。なおケースや化粧板などの外装は描いていない。

液晶セル１０の２枚の可撓性基板２，３は間隙（図示せず）を有し、この間隙の両端にはシール（図示せず）が備えられている。可撓性基板２，３とシールによって作られた空間には液晶層（図示せず）が挟持されている。液晶層は、可撓性基板２，３の間で９０°ツイストしたツイストネマチック液晶である。可撓性基板２，３の液晶層側の表面には、液晶層を駆動する透明電極（図示せず）が形成されており、透明電極を覆うように配向膜（図示せず）が塗布されている。配向膜はラビング処理されており、ラビング方向が可撓基板２，３に接する液晶分子の長軸方向と一致する。また可撓性基板２，３は、厚さが１２０μｍのポリカーボネートからなり光学異方性を有している。

表示ユニット１１は、バックライト９上に、吸収型偏光板８、下ガラス基板７、上ガラス基板６、吸収型偏光板５が積層している。表示ユニット１１の上下のガラス基板６，７とシール（図示せず）によって作られた間隙にツイストネマチック型液晶層（図示せず）が挟持されている。さらにガラス基板６（または７）の液晶層側にはマトリクス状に多数の画素が配列し、各画素は薄膜トランジスタ（以後ＴＦＴと呼ぶ）からなるスイッチング素子を備えている。このＴＦＴ液晶表示モジュール（表示ユニット１１）の画素が配列した領域が画面に相当する。

以上のように本実施形態は、ＴＦＴ液晶表示モジュールからなる表示ユニット１１上に、反射型偏光板１２と色偏光板４と液晶セル１０と吸収型偏光板１とからなる積層体が配置されている。ここで色偏光板４、反射型偏光板１２、吸収型偏光板５の透過軸は平行である。

図２により液晶セル１０を含む積層体における積層部材の光軸と液晶分子配列を説明する。図２は本実施形態に係る表示装置において、視認側の吸収型偏光板１、液晶セル１０の可撓性基板２，３、視認側と反対側にある色偏光板４、最下部にある反射型偏光板１２の分解斜視図である。方向関係を明確にするため図中、層部材間で共通のｚ軸を用い、層部材毎にｘ軸とｙ軸を示す。ここで、図中ｘｙ平面において、ｘ軸とｙ軸によって４分割された領域の右下から反時計回りにそれぞれ第１〜第４象限とする。また光軸を中線の矢印、液晶分子を太線の矢印で示す。なお層部材の厚さは無視している。

まず光軸から説明する。吸収型偏光板１の透過軸２１は色偏光板４の透過軸２８及び反射型偏光板１２の透過軸３０と平行であるが、それぞの透過軸２１，２８，３０はｘ軸およびｙ軸と４５°で交差している。色偏光板４の吸収軸２７と反射型偏光板１２の反射軸２９は平行で、それぞれ透過軸２８，３０と直交している。可撓性基板２，３の遅相軸２２，２６はｙ軸と平行である。なお、各可撓性基板２，３の進相軸（図示せず）は各遅相軸２２，２６と直交している。

ところで、可撓性基板２，３は、その製造の際に延伸工程を経て形成される。そして、本実施形態に係る可撓性基板２，３では、遅相軸２２，２６が上記延伸工程での延伸方向に対し平行となっている。これにより、遅相軸方向の特定が容易となり、設計や製造工程を簡単化することができる。

なお、液晶セル１０はポリカーボネートからなるので可撓性基板２，３の遅相軸が延伸方向に対して平行となっているが、他の基板材料を使うことで遅相軸が延伸方向に対して垂直となっていてもよい。いずれにしても、遅相軸方向の特定が容易となるため、設計や製造工程が簡単化される。

次に液晶セル１０の液晶分子の方向を説明する。可撓性基板２の下面に接する液晶分子
２３の長軸は、可撓性基板２のｘｙ平面の第４象限から第２象限に向かっており、ｘ軸およびｙ軸と４５°で交差している。これに対し可撓性基板３の上面に接する液晶分子２５の長軸は、可撓性基板３のｘｙ平面の第３象限から第１象限に向かっている。なおｘ軸およびｙ軸との交差角は４５°である。可撓性基板２，３間の液晶分子配列は９０°ツイストしているので、可撓性基板２，３間の中央にある液晶分子２４の長軸はｙ軸と平行になる。すなわち電圧無印加時には液晶層中央にある液晶分子２４の長軸と可撓性基板２，３の遅相軸２２，２６とが平行になっている。

最後に吸収型偏光板１と色偏光板４の光軸と液晶分子の方向関係について説明する。吸収型偏光板１の透過軸２１と可撓性基板２に接触する液晶分子２３の長軸方向は平行である。可撓性基板３に接触する液晶分子２５の長軸方向と、色偏光板４の吸収軸２７とが平行になっている。

図３により液晶セル１０へ入射する光の挙動について定性的な説明を試みる。図３は偏光状態と光軸の関係を示す説明図である。なお液晶セル１０の裏面から視認側に向かって光が進むという状況で説明している。

図３（ａ）は、可撓性基板３の裏面に直線偏光３４が入射するときの遅相軸２６と進相軸３５を示している。ここで直線偏光３４の振動面は色偏光板４の吸収軸２７方向に等しい。Ｘ軸とＹ軸は、それぞれ可撓性基板３のｘ軸とｙ軸に相当する。

図３（ｂ）は、可撓性基板３から出射した光の偏光状態を示している。可撓性基板３の光学異方性により直線偏光３４は楕円偏光３６になる。実際の楕円偏光の長軸は複屈折により４５゜方向（直線偏光３４方向）からずれているはずだが、可撓性基板３の光学異方性が小さいので、楕円偏光の長軸が直線偏光３４方向を向いているとみなす。なお楕円偏光３６はかなり扁平になるが、説明のため短軸を大きくして描いている。

図３（ｃ）は、液晶層を通過して可撓性基板２に入射する際の偏光状態を示している。ここで図３（ｂ）と図３（ｃ）で楕円が同じ向きになるように座標軸を入れ替えている。この座標軸は、図２のｚ軸を中心に液晶分子配列のツイスト方向に９０°可撓性基板２を回転させたものである。すなわち、液晶分子配列のツイストを解く、ないし捻れていた状態を開放するようなイメージである。その結果、Ｘ軸とＹ軸は可撓性基板２のｙ軸とｘ軸（逆向き）となる。この座標軸変換に対応して可撓性基板２の遅相軸２２と進相軸３８はそれぞれＸ軸とＹ軸に平行になる。

図３（ｄ）は、可撓性基板２から出射する光の偏光状態を示している。Ｘ軸とＹ軸は図３（ｃ）と等しい。出射する光は直線偏光３９となる。

図３（ｃ）において座標軸を回転させた意味をさらに詳しく説明する。この座標軸変換は、旋光の要素を取り去り、光の進行状況を単純化して視覚化することを目的としている。これで２枚の可撓性基板２，３の光学異方性が与える影響だけを考察できる。別の見方をすれば、液晶セル１０の裏側から眺めた場合、９０°旋光により可撓性基板３のｘ軸は可撓性基板２のｙ軸と重なる。同様に可撓性基板３のｙ軸は可撓性基板２のｘ軸（逆向き）に重なって見える。つまり液晶層により可撓性基板３のｘ軸とｙ軸とが可撓性基板２のｙ軸とｘ軸（逆向き）に重なるのだから、捩じれ（ツイスト）を取り去った状態として（ｂ）と（ｃ）の関係が得られる。

すなわち、液晶セル１０が引き起こす９０°旋光の影響を取り去ってしまうと、可撓性基板３に入射する光にとって可撓性基板３，２は、光学異方性が等しく遅相軸同士が直交する２枚の位相差板が重ったフィルムと等しくなる。このとき入射光のＸ成分は最初の位
相差板で進相し２枚目の位相差板で遅相する。これとは反対にＹ成分は最初の位相差板で遅相し２枚目の位相差板で進相する。つまりＸ成分とＹ成分の位相量（光学距離）が等しくなるので入射光がそのまま出射する。

なお、前述の説明において液晶層の複屈折は無視していた。つまり液晶分子の長軸方向と短軸方向で光の伝搬速度は等しいかのように説明していた。しかし実際には液晶層内で常光と異常光との位相がちょうど２π（３６０゜）程度ずれているため、見かけ上可撓性基板３を出射した楕円偏光がそのまま可撓性基板２に入射するものとみなせるということを前提にしている。つまり、長軸方向の屈折率と短軸方向の屈折率の差Δｎと液晶層の厚みｄとの積である光路差Δｎｄが真空中の光の波長λと同程度（または整数倍）であるというツイストネマチック液晶セルの標準的な設計条件が採用されていることを仮定している。実際には、液晶層を通過するとき、楕円偏光３６は、楕円の長軸が４５゜方向を中心に振れながら、直線偏光、回転方向が反対向きの楕円偏光、直線偏光という順番で変化し、最後に楕円偏光３７になる。

以上のように、液晶層が９０°ツイストネマチック液晶であり、その光学異方性Δｎｄが真空中の光の波長λと同程度であり、可撓性基板２，３の遅相軸と液晶層中央の分子長軸が平行であれば、可撓性基板３に接する分子の長軸方向２５と平行な直線偏光３９は、可撓性基板２から直線偏光として出射する。同様に、可撓性基板２に接する分子の長軸方向２３と平行な直線偏光は、可撓性基板３から直線偏光として出射する。

再び図２に戻り光の伝搬状態を説明する。視認側から吸収型偏光板１に入射した光は透過軸２１の方向を向いた直線偏光となる。この直線偏光が液晶セル１０に入射すると、前述の説明から液晶分子２５の長軸方向の直線偏光となって可撓性基板３を出射する。この直線偏光は色偏光板４の吸収軸２７と平行なので色偏光板４で特定の波長以外の光が吸収される。すなわち着色して色偏光板４を出射する。この出射光は反射型偏光板１２の反射軸２９と平行なので鏡面反射される。つまり金属の表面反射のように見える。この反射光が逆のコースを辿って吸収型偏光板１から出射する。この結果、表示装置はメタリック調に着色されたように見える。

この過程において、外光が入射した際に反射型偏光板１２に入射する光はほとんどが反射軸２９と平行な成分のものとなる。つまり透過軸３０方向の成分がほとんどないため反射光と透過光の比（コントラスト）が大きな値となる。もしも可撓性基板３の出射光が楕円偏光である場合には、反射型偏光板１２の透過軸３０方向の成分が大きくなるのでコントラストが低下する。しかしながら本実施形態では透過光がほとんどないため、表示ユニット１１など反射型偏光板１２の下にある部材からの反射光（戻り光）もほとんどなく、表示装置表面から下の部材が透けて見えることはない。

なお以上の説明は液晶層に電圧が印加されていない領域（オフ領域）に関するものであった。液晶層に電圧が印加される領域（オン領域）では液晶分子が垂直になるので旋光が起こらず、吸収型偏光板１を透過した直線偏光は、反射型偏光板１２を透過する。同様にオン領域では反射型偏光板１２を透過した直線偏光は吸収型偏光板１を透過して外部に出射する。

図１と図４と比較しながら本実施形態の動作状況を説明する。図４（ａ）に相当する待機モードでは、反射型偏光板１２、色偏光板４、吸収型偏光板１、及び液晶セル１０からなるフロントパネルは、前述のようにメタリック調に着色している。そしてフロントパネルの下側にある表示ユニット１１の画面は見えない。またフロントパネルの下には表示ユニット１１以外にもいろいろな部品（図４の場合は時計表示用背面照明）があることが多く、これらの部品も待機モードではメタリック調に着色されたフロントパネルにより隠
されてしまう。図４（ｂ）の表示モードでは、表示ユニットのバックライト９が点灯し、画面に画像が表示されるのと同時に、画面と重なるフロントパネル領域が透明になり、表示画像を視認できるようになる。

なお色偏光板４を取り除き、オフ領域は金属光沢、オン領域は透過状態とすることもできる。

また、液晶の位相差がおよそ半整数｛Δｎｄ／λ＝（２ｎ＋１）／２,ｎは整数｝であ
る場合、基板３を出射した楕円偏光３６は基板２に入射するときに常光と異常光の位相差がπ（１８０°）となるため楕円偏光３７とは逆回転の楕円偏光となる。このときは図３（ｃ）においてＸ軸方向に進相軸、Ｙ軸方向に遅相軸を設定すればよい。すなわち液晶セル１０の上下の可撓性基板２，３の遅相軸同士を直交させることに対応する。

偏光眼鏡等など表示装置から離れた位置に視認側の吸収型偏光板を備えることで吸収型偏光板１を省くことができる。本実施例では、表示ユニット１１としてツイストネマチック液晶層を備えたＴＦＴ液晶モジュールとした。しかし本発明の表示装置は、ＴＦＴ液晶モジュールであってもツイストネマチック液晶に限られるわけではなく、ベンド配向や垂直配向、水平配向型の液晶層でもよい。さらにＳＴＮ（スーパーツイステッドネマチック）液晶表示モジュールや強誘電液晶表示モジュールであっても良い。また反射型偏光板１２があるので液晶セル１０には直線偏光が入射するから、ＣＲＴや有機ＬＥＤ表示モジュールのように出射光に偏光のない表示ユニットでもよい。また液晶セルに十分な表示機能を付与すれば、液晶セルを含む積層体の下にバックライトや光吸収層を備えるだけでも良くなる。

液晶表示モジュールのように視認側に偏光板を使用する表示ユニットに対し、この視認側の偏光板と反射型偏光板１２を共用することができ、これで本発明の表示装置は偏光板一枚分薄くなる。

また反射率の高い部品が視認側とは反対側にある場合は反射型偏光板１２の下側にλ／４位相差板を挿入することでいっそう待機時の遮光レベルを下げることができる。特に有機ＬＥＤ表示モジュールなど反射率の高い表示モジュールを使う場合に有効である。

また進相軸と遅相軸により位相差が相殺されれば良いので、液晶層の中央分子長軸は進相軸と平行であっても良い。

フィルム延伸方向に遅相軸が発生する材料はポリカーボネートが知られている。これに対し、ポリサルホンやポリスチレン等はフィルム延伸方向に垂直に遅相軸が発生する。

本発明の実施形態に係る表示装置を示す断面図である。 図１に示す表示装置の液晶セルを含む積層体に係る積層部材の分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る表示装置の偏光状態を示す図である。 従来の表示装置の斜視図である。

符号の説明

１，５，８…吸収型偏光板
２，３…可撓性基板
４…色偏光板
６，７…ガラス基板
９…バックライト
１０…液晶セル
１１…表示ユニット
１２…反射型偏光板
２１，２８，３０…透過軸
２２，２６…遅相軸
２３，２４，２５…液晶分子
２７…吸収軸
２９…反射軸
３５，３８…進相軸
４１…表示装置
４２…画面
４３…時計表示部

Claims (6)

1. ２枚の可撓性基板間にツイストネマチック液晶層を挟持した液晶セルを有し、該液晶セルに対し視認側とは反対側に反射型偏光板が積層された表示装置において、
   前記２枚の可撓性基板が光学異方性を有し、
   前記液晶層への電圧無印加時には前記液晶層の厚み方向の中央に位置する液晶分子の長軸が前記２枚の可撓性基板の遅相軸または進相軸と平行となっており、
   前記液晶セルの視認側とは反対側にある前記可撓性基板に接触する前記液晶分子の長軸方向と、前記反射型偏光板の反射軸とが平行となっていることを特徴とする表示装置。
2. 反射型偏光板と前記液晶セルの間に色偏光板が備えられていることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記反射型偏光板に対し前記液晶セルとは反対側に、表示用の画面を有する表示ユニットが備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の表示装置。
4. 前記液晶セルの平面積が前記表示ユニットの前記画面よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の表示装置。
5. 前記可撓性基板の遅相軸は、該可撓性基板の延伸方向に対し平行または垂直であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の表示装置。
6. 前記表示ユニットが液晶表示モジュールまたは有機ＬＥＤ表示モジュールであることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の表示装置。

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