JP2010256800A

JP2010256800A - 表示素子

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Publication number: JP2010256800A
Application number: JP2009109484A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Morimoto; 広志森本; Satoshi Iwata; 敏岩田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2029-04-28
Also published as: JP5299066B2

Abstract

【課題】高コントラストでの表示が可能な表示素子を提供する。
【解決手段】プレーナ状態にあるコレステリック液晶層２８が反射する円偏光成分を透過させる第１円偏光板２２ａを、コレステリック液晶層２８の一側に設けるとともに、第１円偏光板２２ａと同一の円偏光成分を透過させる第２円偏光板２２ｂを、コレステリック液晶層２８の他側に設ける。これにより、第１円偏光板２２ａを透過した所定の円偏光成分がプレーナ状態のコレステリック液晶層２８に入射した際に異なる円偏光成分が生成されても、その異なる円偏光成分を第２円偏光板２２ｂにて吸収することができるので、プレーナ状態のコレステリック液晶層２８を透過する照明光の強度を小さくすることができる。
【選択図】図２

Description

本件は、コレステリック液晶層を有する光透過型の表示素子に関する。

近年、各企業・大学等では、電子ペーパーの開発が盛んに進められている。電子ペーパーは、電子書籍を筆頭に、モバイル端末機器のサブディスプレイやＩＣカードの表示部等、多用な応用方法が提案されている。電子ペーパーの表示方式の１つに、コレステリック相が形成される液晶組成物を用いるもの（コレステリック液晶）がある。コレステリック液晶は、カイラルネマティック液晶とも呼ばれ、ネマティック液晶にキラル性の添加剤（カイラル材）を比較的多く（数十％）添加することにより、ネマティック液晶の分子が螺旋状のコレステリック相を形成する液晶である。このコレステリック液晶は、半永久的に表示を保持する特性（メモリ性）、鮮やかなカラー表示特性、高コントラスト特性、及び高解像度特性等の優れた特徴を有する。

より詳細には、コレステリック液晶は双安定性（メモリ性）を有し、液晶に印加する電界強度の調節によりプレーナ状態、フォーカルコニック状態、又はプレーナ状態とフォーカルコニック状態とが混在した中間的状態のいずれかとなる。このコレステリック液晶では、一旦プレーナ状態又はフォーカルコニック状態になると、その後は無電力下でも安定してその状態を保持する。

コレステリック液晶を用いた表示素子には、反射型及び透過型の表示素子が存在する。このうち、透過型の表示素子としては、コレステリック液晶層の背面に照明光を照射する照明装置（照明）を設置した構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

コレステリック液晶では、プレーナ状態にあるときには、所定の波長帯域の、所定の円偏光成分を反射する。そのため、背面側から照明光を照射すると、プレーナ状態の画素では、光の一部を反射するので、その分だけ透過する光が少なくなる。一方、フォーカルコニック状態の画素では、ほぼすべての光が透過する。ここで、表示画像のコントラストは、
コントラスト＝
フォーカルコニック状態の画素の光透過量／プレーナ状態の画素の光透過量
…（１）
で定まるため、プレーナ状態の画素を通過する光が多いと、コントラストが低下してしまう。すなわち、例えば、コレステリック液晶に入射する光が、所定の円偏光成分とは逆方向の円偏光成分を含んでいると、プレーナ状態のコレステリック液晶でその逆方向の円偏光成分を透過してしまうため、コントラストが低下するおそれがある。

これに対し、従来は、図７（ａ）に示すように、ＬＥＤ１２と導光板１４とを含む照明部２０とコレステリック液晶層２８の間に、プレーナ状態のコレステリック液晶層２８が反射する円偏光成分のみを通過させる円偏光板２２を設置している。これにより、プレーナ状態のコレステリック液晶層２８が反射する円偏光成分のみをコレステリック液晶層２８に入射させることができるので、コレステリック液晶層２８で大部分の入射光を反射でき、高コントラストが実現可能となる、と考えられていた。

特開平８−１７９３２０号公報

しかしながら、上記のように、照明部２０とコレステリック液晶層２８の間に円偏光板２２を挟み、入射光を所定の円偏光成分のみに限定しても、実際に試作してみると透過する光を十分に減らすことができないことが判明した。

具体的には、計算上は、プレーナ状態の画素に向けて照明光（強度１００）を照射した場合、左右片側の円偏光成分（強度５０）を円偏光板が透過し、当該円偏光成分をプレーナ状態のコレステリック液晶層が全て反射すれば、透過光の強度は０に近い値となるはずである。しかるに、実際には、図７（ｂ）に示すように、円偏光板を透過した光（強度５０）がプレーナ状態のコレステリック液晶層に入射すると、そのときの透過光の強度が８．３程度になることが判明した。この場合、所望のコントラストを得ることができないと考えられる。

そこで本件は上記の課題に鑑みてなされたものであり、高コントラストでの表示が可能な表示素子を提供することを目的とする。

本明細書に記載の表示素子は、コレステリック液晶層を備え、当該コレステリック液晶層の光透過率の変化に応じた表示を行う光透過型の表示素子であって、前記コレステリック液晶層の一側に設けられ、プレーナ状態にある前記コレステリック液晶層が反射する円偏光成分を透過させる第１円偏光板と、前記コレステリック液晶層の他側に設けられ、前記第１円偏光板と同一の円偏光成分を透過させる第２円偏光板と、を備える表示素子である。

本明細書に記載の表示素子は、高コントラストを実現できるという効果を奏する。

図１（ａ）は、一実施形態に係る表示素子の構成を概略的に示す断面図であり、図１（ｂ）は、第１、第２透明電極の配置、及びコレステリック液晶層及びスペーサの位置関係を示す平面図である。コレステリック液晶層がプレーナ状態にあるときの照明光の透過状態を模式的に示す図である。コレステリック液晶層がフォーカルコニック状態にあるときの照明光の透過状態を模式的に示す図である。図４（ａ）は、照明部から第１円偏光板に入射する照明光のスペクトルを示す図であり、図４（ｂ）は、第２円偏光板から出射する照明光（透過光）の相対強度を示す図である。スペーサのブラックマトリクスに対して照明光が入射した状態を模式的に示す図である。図６（ａ）、図６（ｂ）は、一実施形態の変形例を説明するための図である。図７（ａ）、図７（ｂ）は、従来例を説明するための図である。

以下、表示素子の一実施形態について、図１〜図５に基づいて詳細に説明する。

図１（ａ）には、一実施形態に係る表示素子１００の構成が概略的に示されている。この図１（ａ）に示すように、表示素子１００は、照明部２０と、照明部２０の図１（ａ）における上側に順次積層された第１円偏光板２２ａ、第１透明基板２４ａ、第１透明電極２６ａと、コレステリック液晶層２８と、コレステリック液晶層２８の上側に順次積層された第２透明電極２６ｂ、第２透明基板２４ｂ、第２円偏光板２２ｂと、を備える。

照明部２０は、ＬＥＤ１２と、導光板１４とを有する。ＬＥＤ１２としては、例えば、中心波長が５２８ｎｍ（緑色）の照明光を照射するＬＥＤを採用する。導光板１４は、ＬＥＤ１２から照射された照明光を平面状にして、当該照明光を第１円偏光板２２ａのコレステリック液晶層２８とは反対側の面から入射させる。

第１円偏光板２２ａは、入射された光の右円偏光成分を選択的に透過し、それ以外の円偏光成分を吸収する性質を有する。また、第２円偏光板２２ｂも、同様に、入射された光の右円偏光成分を選択的に透過し、それ以外の円偏光成分を吸収する性質を有する。

コレステリック液晶層２８は、ネマティック液晶混合物にカイラル材を１０〜４０ｗｔ％添加したものである。なお、カイラル材の添加量は、ネマティック液晶成分とカイラル材の合計量を１００ｗｔ％としたときの値である。

このコレステリック液晶層２８は、プレーナ状態で、照明光の波長５２８ｎｍを中心とする所定の波長帯域の右円偏光成分を反射する性質を有する。また、コレステリック液晶層２８は、フォーカルコニック状態において照明光が透過する際に２つの直線偏光成分が受ける位相変化の差（リタデーション）が、照明光の中心波長（５２８ｎｍ）の整数倍（１，２，３…）となるように設定されているものとする。ここで、リタデーションは、コレステリック液晶層２８の複屈折率と厚さ（層厚）の積で表される。したがって、本実施形態では、コレステリック液晶層２８に用いる材料を決定した後、コレステリック液晶層２８の厚さを調整することで、リタデーションを照明光の中心波長５２８ｎｍの整数倍に設定することとしている。なお、上記に限らず、コレステリック液晶層２８の厚さを設定した後に、コレステリック液晶層２８の材料を決定することとしても良い。

第１透明電極２６ａ、第２透明電極２６ｂは、図１（ｂ）の平面図に示すように、平行に配列された複数の帯状の電極から成り、互いに９０°の角度で交差するように配列されている。この第１、第２透明電極２６ａ，２６ｂの材料としては、例えば、Indium Tin Oxide（ＩＴＯ：インジウム錫酸化物）を用いることができる。ただし、これに代えて、Indium Zinc Oxide（ＩＺＯ：インジウム亜鉛酸化物）等の透明導電膜などを用いた電極を採用することとしても良い。これら第１、第２透明電極２６ａ、２６ｂが交差する各部分に位置するコレステリック液晶層２８が、１画素を構成する。

第１、第２透明電極２６ａ、２６ｂが交差しない部分（画素が存在しない部分）には、図１（ａ）、図１（ｂ）を総合すると分かるように、格子状のスペーサ３０が設けられている。このスペーサ３０は、コレステリック液晶層２８の層厚の変動を抑制するための部材である。すなわち、スペーサ３０は、コレステリック液晶層２８のリタデーションの変動を抑制するための部材であるともいえる。スペーサ３０は、例えば、感光性樹脂（フォトレジスト）を材料としている。このスペーサ３０の一部（下端部）は、図１（ａ）に示すように、ブラックレジストを用いたブラックマトリクス３２により形成されている。

第１、第２透明基板２４ａ，２４ｂは、いずれも透光性を有している。これら第１、第２透明基板２４ａ，２４ｂの材料としては、ガラス基板を用いることができるが、これに限らず、例えば、ＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate）やＰＣ（Polycarbonate）などのフィルム基板を使用することもできる。

本実施形態の表示素子１００では、例えば、特定画素の初期状態がプレーナ状態の場合、第１、第２透明電極２６ａ，２６ｂを用いて、特定画素のパルス電圧をある範囲に上げるとフォーカルコニック状態への駆動帯域となる。また、パルス電圧を更に上げると再度プレーナ状態への駆動帯域となる。一方、初期状態がフォーカルコニック状態の場合、特定画素のパルス電圧を上げるにつれて次第にプレーナ状態への駆動帯域になる。

次に、本実施形態の表示素子１００における表示方法について、図２〜図５に基づいて説明する。

図２は、コレステリック液晶層２８がプレーナ状態にあるときの照明光の透過状態を模式的に示す図である。この図２に示すように、照明部２０から強度１００（右円偏光成分（Ｒ）の強度が５０、左円偏光成分（Ｌ）の強度が５０）の照明光が第１円偏光板２２ａに向けて照射されると、第１円偏光板２２ａでは、右円偏光成分（Ｒ）のみを透過する。すなわち、第１円偏光板２２ａを透過した光は、右円偏光成分（Ｒ）の強度が５０で、左円偏光成分（Ｌ）の強度が０である。

次いで、第１円偏光板２２ａを透過した光が第１透明基板２４ａ、第１透明電極２６ａを介して、プレーナ状態のコレステリック液晶層２８に入射すると、右円偏光成分（Ｒ）のほとんどが反射され、透過する右円偏光成分（Ｒ）の強度は、１．１となる。この右円偏光成分（Ｒ）は、第２透明電極２６ｂ、第２透明基板２４ｂを介して第２円偏光板２２ｂに入射し、第２円偏光板２２ｂでは、当該右円偏光成分を透過させる。

ところで、発明者の検証によると、コレステリック液晶層２８には、照明光の右円偏光成分（Ｒ）のみが入射しているにもかかわらず、コレステリック液晶層２８からは左円偏光成分（Ｌ）（図２では、強度７．２）が出射していることが判明した。これは、右円偏光成分がコレステリック液晶層２８に入射した際に、偏光状態が変化したものと考えられる。また、この左円偏光成分（Ｌ）が、従来（図７（ｂ）参照）において透過光の強度を大きくしていた原因であると考えられる。そこで、本実施形態では、前述したように、第２円偏光板２２ｂを設け、これにより左円偏光成分を吸収させるようにしている。このようにすることで、コレステリック液晶層２８がプレーナ状態にあるときには、強度１．１という非常に小さい強度の照明光のみを透過させることができるようになる。

図３には、コレステリック液晶層２８がフォーカルコニック状態にあるときの照明光の透過状態を模式的に示す図である。この図３に示すように、照明部２０から強度１００（右円偏光成分（Ｒ）の強度が５０、左円偏光成分（Ｌ）の強度が５０）の照明光が第１円偏光板２２ａに向けて照射されると、第１円偏光板２２ａでは、右円偏光成分（Ｒ）のみを透過する。すなわち、第１円偏光板２２ａを透過した光は、右円偏光成分（Ｒ）の強度が５０で、左円偏光成分（Ｌ）の強度が０である。

次いで、第１円偏光板２２ａを透過した右円偏光成分（Ｒ）が第１透明基板２４ａ、第１透明電極２６ａを介して、フォーカルコニック状態のコレステリック液晶層２８に入射すると、コレステリック液晶層２８をそのまま透過する。ここで、通常、フォーカルコニック状態のコレステリック液晶層２８には複屈折があり、通過する光の２つの直線偏光成分はそれぞれ異なる位相変化を受けることになる。しかるに、本実施形態では、コレステリック液晶層２８の、フォーカルコニック状態におけるリタデーションを、前述したように、照明光の中心波長５２８ｎｍの整数倍（１，２，３，…）に設定していることから、各直線偏光成分が受ける位相変化の差が１波長分となるので、入射した円偏光成分は実質的に変化を受けることなくコレステリック液晶層２８を通過する。なお、実際には、コレステリック液晶層２８を透過する際には、右円偏光成分のうちの所定強度α分だけ、減衰する。そして、コレステリック液晶層２８を透過した右円偏光成分（Ｒ）は、第２透明電極２６ｂ、第２透明基板２４ｂを介して、第２円偏光板２２ｂに入射する。第２円偏光板２２ｂでは、入射した右円偏光成分（Ｒ）をそのまま透過する。

図４（ａ）には照明部２０から第１円偏光板２２ａに入射する照明光のスペクトルが示され、図４（ｂ）には、第２円偏光板２２ｂから出射する照明光（透過光）の相対強度が示されている。なお、相対強度とは、照明光の光強度に対する相対値を意味する。

これら、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、コレステリック液晶層２８がプレーナ状態にあるときには、中心波長５２８ｎｍの光の相対強度が、１．１程度になる。また、コレステリック液晶層２８がフォーカルコニック状態にあるときには、中心波長５２８ｎｍの光の相対強度が、５０−α（ここでは、１５．２程度）になる。この場合、コントラストは、１５．２／１．１≒１３．８となる。これに対し、第２円偏光板２２ｂを設けない従来の場合には、図２の右円偏光成分（強度１．１）と、左円偏光成分（強度７．２）が透過光となり、フォーカルコニック状態にあるときの透過光の強度は従来構成では２０．７であるため、コントラストは２０．７／８．３≒２．５となる。なお、本実施形態における中心波長５２８ｎｍの光の相対強度が１５．２程度であるのに対し、従来構成における相対強度が２０．７となるのは、円偏光板の枚数の違いによるものである。

図５には、スペーサ３０のブラックマトリクス３２に対して照明光が入射した状態が模式的に示されている。この図５に示すように、照明部２０から第１円偏光板２２ａに入射した照明光のうち右円偏光成分（Ｒ）のみが、第１円偏光板２２ａから出射される。そして、第１円偏光板２２ａから出射された右円偏光成分（Ｒ）は、ブラックマトリクス３２において吸収される。すなわち、ブラックマトリクス３２は、照明光がスペーサ３０を透過するのを阻止する機能を有している。

以上説明したように、本実施形態の表示素子１００は、コレステリック液晶層２８の一側（下側）に設けられ、プレーナ状態にあるコレステリック液晶層２８が反射する円偏光成分を透過させる第１円偏光板２２ａと、コレステリック液晶層２８の他側（上側）に設けられ、第１円偏光板２２ａと同一の円偏光成分を透過させる第２円偏光板２２ｂと、を備えている。換言すると、表示素子１００のコレステリック液晶層２８の上下両面には、コレステリック液晶層２８が反射する円偏光成分と同じ方向の円偏光成分を通過させる円偏光板が積層されている。したがって、本実施形態では、第１円偏光板２２ａを透過した円偏光成分とは異なる円偏光成分が、プレーナ状態のコレステリック液晶層２８にて生じた場合でも、第２円偏光板２２ｂがその円偏光成分の透過を防ぐことができる。したがって、プレーナ状態のコレステリック液晶層２８を透過する光の強度を低減することができるので、表示素子１００におけるコントラストの向上を図ることが可能である。

また、本実施形態では、第１円偏光板２２ａのコレステリック液晶層２８とは反対側から、照明光を照明する照明部２０を備えているので、当該照明光の波長に合わせてコレステリック液晶層２８及び第１、第２円偏光板２２ａ，２２ｂの材料や寸法等を、適切に設定することができる。この場合、コレステリック液晶層２８の、フォーカルコニック状態にあるときのリタデーションを、照明部２０から照明される照明光の中心波長の整数倍に設定することとしているので、フォーカルコニック状態のコレステリック液晶層２８を照明光が通過するときに、入射時の円偏光成分と異なる円偏光成分が生じるのを防止することができる。これにより、表示素子１００におけるコントラストの更なる向上を図ることができる。

また、本実施形態では、コレステリック液晶層２８の層厚を維持するスペーサ３０を備えているので、層厚により変化するリタデーションを、一定に維持することが可能である。また、表示素子１００の全体にわたって層厚を均一に維持することができるので、表示ムラの発生を防止することが可能である。

また、本実施形態では、スペーサ３０の一部（下端部）に光を通さない性質を有するブラックマトリクス３２が設けられているので、スペーサ３０の材料として、透明な感光性のレジストを用いても、スペーサ３０を介した照明光の漏れを防止することができる。この点からもコントラストの向上を図ることができる。なお、上記においては、スペーサ３０の下端部にブラックマトリクス３２を設ける場合について説明したが、これに限らず、ブラックマトリクスは、スペーサ３０の上端部に設けても良いし、スペーサ３０の高さ方向中間部に設けても良い。

なお、上記実施形態では、層厚を維持するためにスペーサ３０を用いる場合について説明したが、これに限らず、層厚を維持できる構成であれば、別の構成（層厚維持機構）を用いても良い。例えば、多数本の柱状の部材を設けることとしても良いし、表示素子１００全体を板厚の厚いガラス板などの強固な部材で覆うことで、外部からの力がコレステリック液晶層２８の一部に集中しないようにしても良い。

なお、上記実施形態では、スペーサ３０の下端部にブラックマトリクス３２を設けることで、スペーサ３０への照明光の入射を阻止する場合について説明したが、これに限られるものではなく、図６（ａ）のような構成を採用しても良い。この図６（ａ）の構成では、図１（ａ）のブラックマトリクス３２に代えて、紫外線を照射することによって硬化する液晶（ＵＶキュアラブル液晶）３２’を設け、かつ、ＵＶキュアラブル液晶３２’とコレステリック液晶層２８の下側に配向膜３４を設けている。ＵＶキュアラブル液晶３２’は、その液晶分子を特定の方向に配向させた状態で紫外線を照射し、硬化させたものである。液晶分子は複屈折を有しているため、配向状態や厚さによって任意のリタデーションを設定することができる。ここでは、リタデーションを、照明光の中心波長の１／２の奇数倍、すなわち、例えば、照明光の中心波長５２８ｎｍの１／２である、２６４ｎｍに設定したものとする。

このような構成を採用することにより、図６（ｂ）に示すように、照明部２０から第１円偏光板２２ａに入射した照明光のうちの右円偏光成分が、ＵＶキュアラブル液晶３２’に入射する。そして、ＵＶキュアラブル液晶３２’では、リタデーション（２６４ｎｍ）により円偏光成分の方向が反転するので（左円偏光成分になるので）、第２円偏光板２２ｂにて吸収される。したがって、このような構成を採用しても、上記実施形態と同様、スペーサ３０を介した漏れ光の発生を防止することが可能となる。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

２０照明部
２２ａ第１円偏光板
２２ｂ第２円偏光板
２８コレステリック液晶層
３０スペーサ（層厚維持機構）

Claims

コレステリック液晶層を備え、当該コレステリック液晶層の光透過率の変化に応じた表示を行う光透過型の表示素子であって、
前記コレステリック液晶層の一側に設けられ、プレーナ状態にある前記コレステリック液晶層が反射する円偏光成分を透過させる第１円偏光板と、
前記コレステリック液晶層の他側に設けられ、前記第１円偏光板と同一の円偏光成分を透過させる第２円偏光板と、を備える表示素子。
前記第１円偏光板の前記コレステリック液晶層とは反対側から、光を照明する照明部を更に備える請求項１に記載の表示素子。
前記コレステリック液晶層は、フォーカルコニック状態にあるときのリタデーションが、前記照明部から照明される光の中心波長の整数倍に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の表示素子。
前記コレステリック液晶層の層厚を維持する層厚維持機構を更に備える請求項１〜３のいずれか一項に記載の表示素子。
前記層厚維持機構は、スペーサであり、
前記スペーサは、光を通さない性質を有することを特徴とする請求項４に記載の表示素子。
前記スペーサは、リタデーションが前記光の中心波長の１／２の奇数倍に設定されていることを特徴とする請求項５に記載の表示素子。