JP2010276807A - 表示設備 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧を印加することにより、液晶層をプレーナ配列またはフォーカルコニック配列に制御する液晶表示シートにおいて、入射光の吸収ロスを低減し、コントラストの向上を図る。
【解決手段】表示設備１０は、液晶表示シート１１の外部に配置された円偏光光源１９を備え、液晶層１４のプレーナ配列における螺旋構造１７の螺旋方向と、円偏光光源１９から出射される円偏光２０の円偏光方向とが一致する。
【選択図】図１

Description

本発明は、円偏光光源と液晶表示シートを用いた表示設備に関する。

従来から、電圧を印加することにより、液晶層をプレーナ配列またはフォーカルコニック配列に制御する液晶表示シートが知られている（例えば、特許文献１）。このような液晶表示シートは、表示内容を書き換える際には僅かな電力を必要とするものの、表示を維持する電力が不要である。従って、この種の液晶表示シートは、半永久的に表示を保持することができるため、電子ペーパーとして期待されている。

特開２００２−１０７７６７号公報

しかし、従来の液晶表示シートは、入射光の約半分が光吸収層で吸収されるため、コントラストが低いという問題があった。本発明の目的は、従来よりもコントラストの高い、明るい液晶表示シートを備えた表示設備を提供することである。

本発明の要旨は以下の通りである。
（１）本発明の表示設備は、印加電圧に応じて、プレーナ配列またはフォーカルコニック配列のいずれかの状態に制御される液晶層を有する液晶表示シートと、液晶表示シートの外部に配置された円偏光光源とを備える。液晶層に含まれる液晶分子は、螺旋状に配向して、螺旋構造を形成している。液晶層のプレーナ配列における螺旋構造の螺旋方向と、円偏光光源から出射される光の円偏光方向とが一致する。
（２）本発明の表示設備は、液晶層が、ネマチック液晶とカイラル剤を含む混合物により形成される。
（３）本発明の表示設備は、液晶層が、液晶分子の平均屈折率ｎと、螺旋構造のヘリカル軸のヘリカルピッチｐとの積、λ＝ｎｐにより表わされる中心反射波長λが異なる、複数の液晶層が積層されたものである。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、上記の液晶表示シートを、特定の円偏光光源で照明することによって、コントラストの高い表示が可能となることを見出した。

図４（ａ）は、従来の表示設備３０の模式図である。従来の表示設備３０に用いられる、従来の液晶表示シート３１は、２枚の基板３２、３３の間に狭持された液晶層３４と、液晶層３４の漏れを防止するシール材３５と、光吸収層３６を備える。

一方の基板３２には走査電極（図示せず）が形成され、他方の基板３３にはデータ電極（図示せず）が形成されている。走査電極とデータ電極の間に電圧を印加すると、液晶層３４に電圧が印加される。

液晶層３４に含まれる液晶分子は、螺旋状に配向して、多数の螺旋構造３７を形成している。液晶分子の螺旋構造３７の回転軸を、ヘリカル軸３８という。各螺旋構造３７のヘリカル軸３８が、基板３２の垂直方向に揃った配列を、プレーナ配列という。図４（ａ）は、液晶分子の螺旋構造３７がプレーナ配列の場合である。プレーナ配列の場合、各螺旋構造３７のヘリカル軸３８は互いに平行になる。

各螺旋構造のヘリカル軸３８が、基板３２とほぼ平行方向になった配列を、フォーカルコニック配列という。図４（ｂ）は、液晶分子の螺旋構造３７がフォーカルコニック配列の場合である。フォーカルコニック配列の場合、各螺旋構造３７のヘリカル軸３８は、通常、互いに平行ではない。

液晶分子の螺旋構造３７がプレーナ配列で、螺旋が右巻きの場合、液晶層３４は、右円偏光を反射し、左円偏光を透過させる（図４（ａ）に示す）。

液晶分子の螺旋構造３７がプレーナ配列で、螺旋が左巻きの場合、液晶層３４は、左円偏光を反射し、右円偏光を透過させる（図示せず）。

液晶分子の螺旋構造３７は、液晶層３４への印加電圧が閾値よりも高い場合プレーナ配列（図４（ａ））となり、印加電圧が閾値よりも低い場合フォーカルコニック配列（図４（ｂ））となる。

液晶分子の螺旋構造３７のプレーナ配列およびフォーカルコニック配列は、液晶層３４への印加電圧をゼロにしても、保持される。

従来の表示設備３０では、自然光光源３９からの自然光４０が、液晶表示シート３１を照射する。自然光光源３９からの自然光４０には偏りがない。偏りの無い自然光４０は、左円偏光と右円偏光が５０％ずつ混合した光と考えることができる。そこで、自然光光源３９からの自然光４０が液晶表示シート３１に入射する場合、自然光４０を左円偏光と右円偏光が５０％ずつと考える。

図４（ａ）に示すプレーナ配列の場合、右円偏光は、液晶分子の右巻き螺旋構造３７により反射され、反射光４１（右円偏光）となり、観測者４２に達する。左円偏光は、液晶分子の右巻き螺旋構造３７を透過する透過光４３（左円偏光）となり、光吸収層３６に吸収される。

したがって、図４（ａ）に示すプレーナ配列の場合、自然光光源３９からの自然光４０の５０％は、液晶表示シート３１により反射されて観測者４２に達するが、残り５０％は液晶表示シート３１に吸収される。

一方、図４（ｂ）に示すフォーカルコニック配列の場合、右円偏光と左円偏光のどちらも液晶層３４で反射されない。そのため、自然光光源３９からの自然光４０は、全て液晶層３４を透過して、光吸収層３６に吸収される。

したがって、図４（ｂ）に示すフォーカルコニック配列の場合、自然光光源３９からの自然光４０は、全て液晶表示シート３１に吸収される。

液晶表示シート３１のコントラストは、（プレーナ配列のときの反射光）／（フォーカルコニック配列のときの反射光）である。従来の表示設備３０においては、プレーナ配列のときの液晶表示シート３１の反射光４１が弱く、コントラストが低い。

図１（ａ）は、本発明の表示設備１０の模式図である。本発明に用いられる液晶表示シート１１は、２枚の基板１２、１３の間に狭持された液晶層１４と、液晶層１４の漏れを防止するシール材１５と、光吸収層１６を備える。

一方の基板１２には走査電極（図示せず）が形成され、他方の基板１３にはデータ電極（図示せず）が形成されている。走査電極とデータ電極の間に電圧を印加すると、液晶層１４に電圧が印加される。

液晶層１４に含まれる液晶分子は、螺旋状に配向して、多数の螺旋構造１７を形成している。液晶分子の螺旋構造１７の回転軸を、ヘリカル軸１８という。各螺旋構造１７のヘリカル軸１８が、基板１２の垂直方向に揃った配列を、プレーナ配列という。図１（ａ）は、液晶分子の螺旋構造１７がプレーナ配列の場合である。プレーナ配列の場合、各螺旋構造１７のヘリカル軸１８は互いに平行になる。

各螺旋構造のヘリカル軸１８が、基板１２とほぼ平行方向になった配列を、フォーカルコニック配列という。図１（ｂ）は、液晶分子の螺旋構造１７がフォーカルコニック配列の場合である。フォーカルコニック配列の場合、各螺旋構造のヘリカル軸１８は、通常、互いに平行ではない。

液晶分子の螺旋構造１７がプレーナ配列で、螺旋が右巻きの場合、液晶層１４は、右円偏光を反射し、左円偏光を透過させる（図１（ａ）に示す）。

液晶分子の螺旋構造１７がプレーナ配列で、螺旋が左巻きの場合、液晶層１４は、左円偏光を反射し、右円偏光を透過させる（図示せず）。

液晶分子の螺旋構造１７は、液晶層１４への印加電圧が閾値よりも高い場合プレーナ配列（図１（ａ））となり、印加電圧が閾値よりも低い場合フォーカルコニック配列（図１（ｂ））となる。

液晶分子の螺旋構造１７のプレーナ配列およびフォーカルコニック配列は、液晶層１４への印加電圧をゼロにしても、保持される。

図１（ａ）に示す、本発明の表示設備１０では、円偏光光源１９からの右円偏光２０が、液晶表示シート１１を照射する。

図１（ａ）に示すプレーナ配列の場合、右円偏光２０は、液晶分子の螺旋構造１７により反射され、反射光２１（右円偏光）となり、観測者２２に達する。円偏光光源１９からの出射光は全て右円偏光２０であるから、円偏光光源１９からの出射光は、全て液晶表示シート１１により反射され、観測者２２に達する。

一方、図１（ｂ）に示すフォーカルコニック配列の場合、右円偏光と左円偏光は、いずれも液晶層１４で反射されない。そのため、円偏光光源１９からの右円偏光２０は、全て液晶層１４を透過して、光吸収層１６に吸収される。

したがって、図１（ｂ）に示すフォーカルコニック配列の場合、円偏光光源１９からの円偏光２０は、全て液晶表示シート１１に吸収される。

液晶表示シート１１のコントラストは、（プレーナ配列のときの反射光）／（フォーカルコニック配列のときの反射光）である。本発明の表示設備１０においては、プレーナ配列のときの液晶表示シート１１の反射光２１が、従来の表示設備３０より強く、コントラストが高い。

液晶分子の螺旋構造１７が左巻きで、円偏光光源１９からの光が左円偏光の場合も、上記と同じ効果が得られる。

本発明の表示設備１０においては、液晶表示シート１１への入射光のほとんどが液晶層１４で反射されるため、従来の表示設備３０と比較して、表示が明るく、コントラストが高い。

（ａ）本発明の表示設備（プレーナ配列）の模式図、（ｂ）本発明の表示設備（フォーカルコニック配列）の模式図 （ａ）本発明の表示設備（プレーナ配列）の模式図、（ｂ）本発明の表示設備（フォーカルコニック配列）の模式図 本発明の表示設備の利用形態の一例を示す模式図 （ａ）従来の表示設備（プレーナ配列）の模式図、（ｂ）従来の表示設備（フォーカルコニック配列）の模式図

［本発明の表示設備］
本発明の表示設備１０は、液晶分子の螺旋構造１７が、印加電圧に応じて、プレーナ配列（図１（ａ））またはフォーカルコニック配列（図１（ｂ））の、いずれかの状態に制御される液晶層３４を有する液晶表示シート１１と、液晶表示シート１１の外部に配置された円偏光光源１９とを備える。

液晶層１４のプレーナ配列における螺旋方向と、円偏光光源１９から出射される光の円偏光方向は一致する。

本発明の表示設備１０では、プレーナ配列における液晶分子の螺旋構造１７が右巻きの場合、右円偏光２０を出射する円偏光光源１９が用いられる（図１（ａ））。

あるいは、本発明の表示設備１０では、プレーナ配列における液晶分子の螺旋構造が左巻きの場合、左円偏光を出射する円偏光光源が用いられる（図示せず）。

本発明の表示設備１０では、プレーナ配列の場合、液晶表示シート１１への入射光のほとんどが反射されるため、表示が明るく、コントラストが高い。

［液晶表示シート］
本発明に用いられる液晶表示シート１１の液晶層１４は、液晶層１４への印加電圧に応じて、液晶分子の螺旋構造１７がプレーナ（Ｐｌａｎａｒ）配列（図１（ａ））、またはフォーカルコニック（Ｆｏｃａｌ ｃｏｎｉｃ）配列（図１（ｂ））の、いずれかの状態に制御される。このような液晶表示シート１１は、２つの配列状態の光学特性の差を利用して、文字や画像を表示することができる。

図２に示すように、本発明に用いられる液晶表示シート１１は、通常、２枚の基板１２、１３の間に狭持された液晶層１４と、液晶層１４の漏れを防止するシール材１５と、光吸収層１６を備える。

一方の基板１２には走査電極（図示せず）が形成され、他方の基板１３にはデータ電極（図示せず）が形成されている。パルス電源２３により、走査電極とデータ電極間にパルス電圧を印加すると、液晶層１４にパルス電圧が印加される。

本発明に用いられる液晶表示シート１１では、液晶層１４への印加電圧に応じて、液晶分子の螺旋構造１７をプレーナ配列（図１（ａ））、またはフォーカルコニック配列（図１（ｂ））に制御し、明暗表示を行なうことができる。

具体的には、液晶分子の螺旋構造１７をプレーナ配列（図１（ａ））にすることにより、液晶層１４に入射する右円偏光２０を反射させて、明表示を行なう。また、液晶分子の螺旋構造１７をフォーカルコニック配列（図１（ｂ））にすることにより、液晶層１４に入射する右円偏光２０を透過させ、光吸収層１６に吸収させて、暗表示を行なう。

液晶分子の螺旋構造１７の配列状態は、液晶層１４に印加する電圧を調整することにより、制御できる。プレーナ配列は、例えば、上下の基板１２、１３間に高電圧を印加して、液晶層１４に強電界を与えた後、急激に電界をゼロにすることにより得られる。

他方、フォーカルコニック配列は、例えば、上下の基板１２、１３間に低電圧を印加して、液晶層１４に低電界を与えた後、急激に電界をゼロにすることにより得られる。

液晶層１４は、通常、ネマチック液晶とカイラル剤とを含む混合物（カイラルネマチック液晶）により、形成される。このような混合物は、液晶分子が螺旋状に配向したコレステリック相を示す。液晶分子の螺旋方向（右巻き、左巻き）は、カイラル剤のキラリティにより、制御できる。

液晶層１４の中心反射波長λは、液晶分子の平均屈折率ｎと、ヘリカル軸１８のヘリカルピッチｐとの積λ＝ｎｐにより、制御できる。ヘリカルピッチｐは、液晶のディレクタが螺旋により１回転する間の、ヘリカル軸１８上の距離である。

例えば、液晶分子の平均屈折率ｎが１．５６で、ヘリカルピッチｐが３４０ｎｍのカイラルネマチック液晶を用いれば、中心反射波長が約５３０ｎｍ（緑色）の反射を呈する液晶層１４が得られる。

本発明に用いられる液晶表示シート１１は、フルカラー表示を行なうため、中心反射波長が異なる複数の液晶層を積層してもよい。

液晶表示シート１１の厚みは、好ましくは、０．２５ｍｍ〜１ｍｍである。

［円偏光光源］
本発明に用いられる円偏光光源１９は、右円偏光または左円偏光を出射する光源である。円偏光光源１９が、右円偏光と左円偏光の両方を出射する場合は、両者の強度に差があるものが用いられる。

本明細書において、「右円偏光」は、電界ベクトルの軌跡が、光の進行方向から見て右回転する偏光をいい、「左円偏光」は、電界ベクトルの軌跡が、光の進行方向から見て左回転する偏光をいう。

一つの実施形態として、円偏光光源１９は、円偏光二色性発光材料を用いた光源である。円偏光二色性発光材料としては、例えば、螺旋構造を有する液晶性共役高分子化合物（例、特開２００４−１０７５４２号公報）や、希土類錯体（例、特開２００５−９７２４０号公報）が挙げられる。

他の実施形態として、円偏光光源１９は、自然光を発する一般的な照明の表面に、円偏光分離フィルタを配置した光源である。あるいは、建物、自動車、列車、航空機などの窓に、円偏光分離フィルタを配置した光源である。

円偏光分離フィルタは、右円偏光あるいは左円偏光のいずれか一方を優先的に反射し、他方を透過させるフィルタである。円偏光分離フィルタとしては、例えば、コレステリック液晶のプレーナ配列を、熱や紫外線によって固定したもの（例、特開平８−２７１７３１号公報に記載のコレステリック液晶層）が挙げられる。

円偏光分離フィルタを用いた円偏光光源において、出射される光の円偏光方向は、コレステリック液晶の螺旋方向によって制御できる。

円偏光分離フィルタは、コレステリック液晶が右螺旋方向の場合、左円偏光を透過（出射）し、左螺旋方向の場合、右円偏光を透過（出射）する。

［実施例］
市販の電子ペーパー（インテグラル電子社製コレステリック液晶表示器ＩＣＬ−６４４８）を、液晶表示シートとして準備した。この液晶表示シートは、黄色波長の光を反射する右螺旋方向の液晶層と、液晶層の背面に、青色波長の光以外を吸収し、青色波長の光だけを反射する光吸収層を備える。液晶層内の液晶分子は右巻きの螺旋構造をとっている。印加電圧に応じて、液晶分子の螺旋構造は、プレーナ配列またはフォーカルコニック配列の、いずれかをとることができる。

この液晶表示シートにおいて、液晶分子の螺旋構造がプレーナ配列のとき、液晶層では黄色が反射され、他の色は透過する。光吸収層では青色が反射され、他の色は吸収される。したがって、このとき観察者には、液晶表示シートが白色（反射された黄色と青色の合成色）に見える。

この液晶表示シートにおいて、液晶分子の螺旋構造がフォーカルコニック配列のとき、液晶層は全色を透過する。光吸収層では青色が反射され、他の色は吸収される。したがって、このとき観察者には、液晶表示シートが青色に見える。

液晶表示シートの表面から観察者側に６０ｃｍ離れた位置に、右円偏光を出射する円偏光光源を配置して、表示設備を作製した。円偏光光源は、市販の電気スタンド（Ｎａｔｉｏｎａｌ社製Ｌｏｖｅ ｅｙｅ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）の蛍光灯に、コレステリック液晶層からなる円偏光分離フィルム（日東電工社製ＰＣＦ４００から、１／４波長板を取り除いたもの）を貼着したものである。

液晶表示シートの、液晶分子の螺旋構造がプレーナ配列になるように、印加電圧を加えて、白画像を表示させ、輝度を測定した。液晶分子の螺旋構造が右巻きであるため、円偏光光源から入射した右円偏光のうち、黄色が液晶層で反射される。

次に、液晶表示シートの、液晶分子の螺旋構造がフォーカルコニック配列になるように、印加電圧を加えて、青画像を表示させ、輝度を測定した。プレーナ配列の場合と、フォーカルコニック配列の場合を比較して、コントラストを算出した。結果は表１のとおりである。

［比較例］
光源として、実施例と同じ照度に調整した自然光光源を用いた。自然光光源は、実施例で用いた電気スタンドに、円偏光分離フィルムに代えて、照度調整用のポリエチレンテレフタレートフィルムを貼着したものである。それ以外は、実施例と同様に表示設備を作製した。

液晶表示シートの、液晶分子の螺旋構造がプレーナ配列になるように、印加電圧を加えて、白画像を表示させ、輝度を測定した。

液晶表示シートの、液晶分子の螺旋構造がフォーカルコニック配列になるように、印加電圧を加えて、青画像を表示させ、輝度を測定した。プレーナ配列の場合と、フォーカルコニック配列の場合を比較して、コントラストを算出した。結果は表１のとおりである。

［評価］
実施例および比較例の表示設備の液晶表示シートにおいて、液晶分子の螺旋構造がプレーナ配列のとき、液晶層での黄色反射光と、光吸収層での青色反射光が合成されて、液晶表示シートが白色に見える。白輝度を、実施例と比較例で比較すると、実施例の液晶表示シートは、液晶層での黄色反射光の強度が比較例より大きいため、比較例の液晶表示シートよりも白輝度が高かった。

実施例および比較例の表示設備の液晶表示シートにおいて、液晶分子の螺旋構造がフォーカルコニック配列のとき、液晶層での反射光がないため、液晶表示シートが青色に見える。このとき、実施例および比較例の液晶表示シートの、光吸収層での青色反射光の強度は等しいため、青輝度は等しかった。

コントラスト比は、白輝度と青輝度の比であるため、実施例の表示設備の液晶表示シートは、比較例の表示設備の液晶表示シートに比べて、コントラスト比が高かった。

［測定方法］
［青輝度、白輝度、コントラスト比］
液晶表示シートに青画像および白画像を表示した。青輝度、白輝度は、輝度計（トプコン社製ＢＭ−５）を用いて、測定距離１ｍ、測定視野１°で測定した。コントラスト比は、白輝度／青輝度により求めた。

本発明の表示設備１０は、例えば図３に示すように、列車内の広告表示設備として用いられる。この広告表示設備においては、液晶表示シート１１を広告表示媒体として用いる。円偏光光源１９として、円偏光二色性発光材料を用いた車内灯１９ａや、円偏光分離フィルタを貼着した窓１９ｂを用いる。

乗客は、従来よりも明るく、コントラストの高い明瞭な広告表示を見ることができる。

１０ 表示設備
１１ 液晶表示シート
１２ 基板
１３ 基板
１４ 液晶層
１５ シール材
１６ 光吸収層
１７ 螺旋構造
１８ ヘリカル軸
１９ 円偏光光源
１９ａ 車内灯
１９ｂ 窓
２０ 右円偏光
２１ 反射光
２２ 観測者
２３ パルス電源
３０ 表示設備
３１ 液晶表示シート
３２ 基板
３３ 基板
３４ 液晶層
３５ シール材
３６ 光吸収層
３７ 螺旋構造
３８ ヘリカル軸
３９ 自然光光源
４０ 自然光
４１ 反射光
４２ 観測者
４３ 透過光

Claims (3)

1. 印加電圧に応じて、プレーナ配列またはフォーカルコニック配列のいずれかの状態に制御される液晶層を有する液晶表示シートと、前記液晶表示シートの外部に配置された円偏光光源とを備えた表示設備であって、
   前記液晶層に含まれる液晶分子は、螺旋状に配向して、螺旋構造を形成しており、
   前記液晶層のプレーナ配列における前記螺旋構造の螺旋方向と、前記円偏光光源から出射される光の円偏光方向とが一致することを特徴とする表示設備。
2. 前記液晶層が、ネマチック液晶とカイラル剤を含む混合物により形成されることを特徴とする、請求項１に記載の表示設備。
3. 前記液晶層が、前記液晶分子の平均屈折率ｎと、前記螺旋構造のヘリカル軸のヘリカルピッチｐとの積、λ＝ｎｐにより表わされる中心反射波長λが異なる、複数の液晶層が積層されたものであることを特徴とする、請求項１または２に記載の表示設備。

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