JP2607741B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 この発明は液晶表示装置に関し、主に、ワープロ、ノ
ート型パソコン等のOA機器や各種映像機器及びゲーム機
器などに用いられる。

（ロ）従来の技術 映像機器は、時計、電卓、コンピュータ端末、ワード
プロセッサあるいは、TV等、現在、広い分野に渡って利
用されている。これらの用途に用いられる代表的な表示
モードは、液晶セル内の液晶分子を初期配向としてほぼ
90゜ねじる、いわゆるTN（Twisted Nematic）モードで
ある。TNモードは、１組の偏光板の間に液晶セルを配置
し、このセルの光学的性質、即ち無電時の旋光特性と電
圧印加時の偏光解消特性を利用してモノクロ表示を行う
ものである。また、カラー化については、液晶セル内に
例えば赤、青、緑のカラーフィルタを設け、TNモードの
上述の光スイッチング特性を利用し、加色混合によりマ
ルチカラー表示やフルカラー表示を行う。この原理は、
現在、アクティブマトリクス駆動や単純マトリクス駆動
を適用したポケット液晶テレブのディスプレイに採用さ
れている。

ワードプロセッサ用ディスプレイとして広く使用され
ている表示方式としては、TNモードと類似のセル構造で
液晶のねじれ角を180゜〜270゜に設定する、STN（Super
Twisted Nematic）モードが挙げられる。このモードの
特長は、液晶ねじれ角の90゜以上の増大と偏光板設置角
の最適化により、印加電圧の増加に伴う急激な分子配向
変形を液晶の複屈折変化に反映させ、鋭いしきい値を有
する電気光学特性を実現するものである。従って、単純
マトリクス駆動に適する。一放、このモードの短所とし
ては、液晶の複屈折により表示の背景色として、黄緑や
濃紺の色付きを呈することにある。この改善法として、
表示用STNパネルに光学補償用パネルやポリカーボネイ
ト等の高分子で形成される位相差板を重ね合わせること
により色補償を行い、白／黒表示を可能とする提案があ
り、現在、このパネル構造のものが“ペーパーホワイト
LCD"として、市場に出回っている。また、このカラー化
においては、前述のTNモードと同様の動作原理で、マル
チカラー／フルカラー表示が可能となる。

広い視覚を要求する用途としては、液晶に分子長軸と
短軸方向で吸光度の異なる色素（二色性色素）を添加す
る、いわゆるGH（ゲストホスト）モードが使用される。
この方式は偏光板を使用するHeilmeier型と偏光板を使
用しないWhite−Taylor型（相転移型）、及び二層型等
に分類出来るが、いずれにしても動作原理となるもの
は、色素の配向を電圧による液晶分子の配向を介してコ
ントロールし、色素分子方向の吸光度差を表示に利用す
るものである。またカラー化に対しては、色素として、
可視光の一部の波長を吸収する色素を用いるか、黒色と
なる色素を使用したGHセルに有色フィルタを組み合わせ
れば表示が可能となる。なお、TNモード、STNモード、G
Hモードの詳細な動作原理は日本学術振興会第142委員会
編“液晶デバイスハンドブック”（1989）P.315〜346に
記載されている。

（ハ）発明が解決しようとする課題 偏光板を使用する表示モードでは、偏光板の光学的性
質により、少なくとも光利用率は50％以下に減少する。
従って、反射型ディスプヱイや投写型ディスプレイに要
望される“明るい表示”を実現するためには、偏光板不
要型表示モードの方が有利となる。この観点から前述の
表示モードの中より候補となるのは、White−Taylor型
（相転移型）GHモードと二層型GHモードである。この両
者のモードを比較すると、後者の方が、コントラスト、
明るさの点で優れていることが、既に報告されている
［Proc.of the SID,2514（1984）P.275］。しかしなが
ら、従来の二層型GHセルでは、液晶層間に通常のガラス
基板を用いるため、視角により上下液晶層に視差が生
じ、表示がダブルという欠点があった。この改善法とし
て液晶層間のガラス厚を極めて薄くすることが考えられ
るが、取り扱いに難点があること、セル厚制御が難しい
こと等の問題がある。従って、比較的大面積で精細度の
高いディスプレイには適用は出来ない。また、この点で
はWhite−Taylor型GHモードの方が一層で構成されるた
め適するが、表示性能の点では上述の様に劣り、特に多
色表示の場合には、マイロクカラーフィルタを用いる必
要性から明るさが失われ、表示の精彩が劣っていた。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもの
で、高精細で且つ明るい多層型の液晶表示装置を提供す
るものである。

（ニ）課題を解決するための手段 発明による液晶表示装置は、複数の液晶層と、その液
晶層間に挿入されオプティカルファイバーの集合体から
なるファイバー基板と、前記複数の液晶層の最上面と最
下面に設けられた一対の透明基板と、ファイバー基板の
両面に設けられた同じパターンの透明電極と、前記一対
の透明基板の内側に設けられた透明電極を備え、ファイ
バー基板は、その外周が導電物質でコーティングされた
オプティカルファイバーを備え、ファイバー基板の両面
に設けられた前記透明電極が前記導電物質により電気的
に短絡される。

上記表示装置に於いて、液晶層に二色性色素を添加し
た液晶を用いてもよい。

また、上記表示装置に於いて、カラーフィルタ層を液
晶セル内に形成することができる。

（ホ）作用 この発明の作用を液晶層が二層の場合を例に取って説
明する。

第２図は従来例であり、1a〜1cはガラス基板、２はシ
ール剤、3aは上層液晶部、3bは下層液晶部、4a〜4dは透
明電極である。この図では透明電極4a〜4d上の配向幕や
スペーサ、また場合によって形成する液晶層間リーク防
止用絶縁膜等は簡略のため省略している。この図より明
らかなように、入射光線Ａは下層液晶部3bの表示部の端
を通過するものであり、Ｂは上層液晶部3aの表示部の端
を通過する光であるため、これらの光を受光する位置で
は、表示画像の視差が生じる。さらに、前述の二層型GH
モードのように入射光線が積層された所望の表示絵素部
を通過することにより、初めて期待される表示性能（表
示の明るさ、コントラスト、色再現性等）を発現する表
示方式においては、この視差は極めて特性上大きな問題
となる（図中Ａ−Ｂ間の入射光に対しては、一層表示と
なる）。

第１図には、この発明の基本構成を示す。従来と異な
る点は、液晶層の中間に位置するガラス基板1cをオプテ
ィカルファイバープレート６に置き換える点にある。入
射光線Ａは下層液晶部3bの表示部を通過した後、直ちに
オプティカルファイバープレート６により上層液晶部3a
の表示部に導光され、これを通過する。従って、上下表
示部を光学的に確実に連結することが出来るため、従来
に見られる視差の問題を解決することができる。

また、パネル構成としては第１図のように１枚のオプ
ティカルファイバープレート６の上下に液晶層3a,3bを
形成してもよいが、２枚のファイバープレートを用い
て、第１図のａ部とｂ部を単独に作成した後、Ｃ点で重
ね合わせても同様な効果を期待することが出来る。この
場合、アクティブマトリクスパネルや高精細な単純マト
リクスパネルのようにパネル作成プロセスに注意深い取
り扱いが要求されるLCDには、基板の表裏処理がない
点、歩留まりの向上につながり、特にメリットとなる。

さらに、表示絵素部の駆動に関して、上下液晶部個別
に駆動してもよいが、第３図に示すように、オプティカ
ルファイバープレート６を構成するファイバーｆの中に
ファイバー外周を導体物質（金属やカーボン等の導体を
分散させた有機材料）でコーティングしたファイバーfc
を適宜混入させ、これらを板状加工したファイバープレ
ートを使用すれば、第１図における透明電極4bと4cとが
短絡されるため、透明電極4a,4d間に駆動回路を接続す
れば、１機種の駆動装置で上下の液晶層を同時に駆動す
ることができる。この様な構造は、二層型GHモードのよ
うな表示方式を用いる場合には、上下液晶層で重ね合う
絵素部を同時に駆動する必要があるため、極めて有用で
ある。またファイバープレート導光中に偏光性を厳密に
保存する必要がある場合には、オプティカルファイバー
として偏波面保存ファイバーを用いてプレートを作成す
ればよい。

なお、上述したこの種のオプティカルファイバープレ
ートは特異なものではなく、既に一般に知られたもので
ある（例えば産業開発機構（株）発行の映像情報（Ｉ）
1988年４月号P.43参照）。

以上述べた液晶パネル構造は原理的に多層の液晶層間
で重なり合う表示絵素部を入射光線が通過することによ
り初めて期待される表示性能（明るさ、コントラスト、
色再現性、視角等）を発現する表示方式において極めて
有効であり、例えば、二層型GHモードや多層方式相転移
型GHモードを用いた、モノクロディスプレイ及びカラー
ディスプレイに適する。また、表示形式としては、薄膜
トランジスタ（TFT）やMIM、ダイオードのような二端子
素子を付加したアクティブマトリクス駆動か単純マトリ
クス駆動を適用した透過型ディスプレイ、さらには明る
さが重要な反射型ディスプレイに適し、特に反射型カラ
ーディスプレイには有用である。

従って、TV、ゲーム、ラップトップパソコン等の携帯
用映像機器や情報処理装置及びプロジェクション型TVや
会議プレゼンテーション用ディスプレイ等の投写型映像
／情報装置の用途として、この発明は大きな効果を発揮
する。

（ヘ）実施例 以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明を詳述す
る。これによって、この発明が限定されるものではな
い。

実施例１ 第４図にこの実施例の構造を示す。同図において、11
a,11bはガラス基板、12はシール剤、13a,13bは液晶層,1
4a〜14dは透明電極である。ここで、液晶層13a及び13b
には黒色ゲストホスト系液晶であるメルク社ZLI−2327
を用い、ポリイミド系配向膜で各々平行配向を実現する
とともに、液晶層13a,13bではそれらが互いに90゜交差
するように配向をさせた。また、液晶層13a,13bのセル
厚を10μｍとし、電極14a〜14dはITOを用いたマトリク
ス電極構造とした。さらに、６は直径1mmのオプティカ
ルファイバーを80本/cm²の密度に配列して形成したプレ
ートを用い、液晶層13a,13bの表示絵素の位置はセル法
線方向でほぼ一致させた。液晶層13a,13bに同じ電圧を
印加すべく全マトリクス電極をスタティック駆動とし、
透過型LCDとしたところ、良好なコントラストを示し、
表示絵素に視差が生じないことを目視により確認した。

さらに、液晶層13a,13bで重なる表示絵素に同一電圧
が印加されるようにマルチプレックス駆動を行ったとこ
ろ、視差のない文字表示が可能であることを確認した。

実施例２ 実施例１と同様な二層型GHセルにおいて、液晶のねじ
れ角を増加した。液晶のねじれ角の増加に伴い、闘特性
が鋭くなり、単純マルチプレックス駆動に有利な特性が
得られた。但し、ねじれ角が310゜以上になると、ヒス
テリシス特性が現れ、逆にマルチプレックス特性が損な
われた。この様子を第５図に示す。従って、液晶ねじれ
角は90゜から360゜の範囲が好ましく、特に高いコント
ラストを得るためには、180゜から310゜の範囲が望まし
い。また、このような傾向は他のゲストホスト系液晶、
例えばホスト材料として、シクロヘキサン系、ビフェニ
ル系、ピリミジン系、エステル系液晶とゲスト材料とし
て、アントラキノン系、アゾ系、アゾメチン系、スチリ
ル系、メロシアニン系色素の混合系で得られる。このよ
うな検討結果の背景から、第６図には240゜ツイストの
二層型GHセルの一例を示す。液晶は黒色ゲストホスト系
液晶のメルク社製ZIL−2274を用い、さらに、同社のCB
−15及びＳ−811を使用し、240゜ツイストを実現した。
液晶層3a及び3bの液晶のねじれ方向は互いに逆であり、
またファイバープレート16両面での液晶分子配向は互い
にほぼ直交している。ファイバープレート及び配向膜、
セル厚等は実施例１と同様である。

この構造のセルに、液晶層3a,3bで重なる表示絵素に
は、同一電圧が印加されるようにマルチプレックス駆動
を行ったところ、コントラストが良好で、視差のない文
字表示を確認した。また、このセルを第７図に示すプロ
ジェクションシステムにおいて投写したところ、絵素ぼ
けのない明るく、鮮明な画像が得られた。なお、第７図
においては、Ｄは液晶表示装置、C1は走査側駆動回路、
C2は信号側駆動回路、Ｐは光源、Ｍは反射ミラー、Ｌは
レンズ、Ｓはスクリーンである。

実施例３ 実施例２（第６図）の基本セル構造において、透明電
極4aとガラス基板11aの間にゼラチンよりなる赤、緑、
青のカラーフィルタ層15aを0.7μｍ形成した。また、透
明電極14dの代わりに、ガラス基板１の上を研磨剤（ア
ルミナ粒子径15μｍ）で研磨した後、HFでエッチングを
行い、基板表面の粗面化を施し、さらにAgを蒸着して反
射電極15b形成した。第８図にこのセル構造を示す。

電極14a〜14b間および電極14c〜15b間に電圧を印加
し、液晶層13a,13bで重なる表示絵素には同一電圧を印
加してマルチプレックス駆動したところ、良好な反射型
の中間調表示及び無階調表示が得られた。従って、基本
的には、本構造により、反射型カラーLCTVやノート型パ
ソコン用カラーディスプレイが作成出来る。

なお、本実施例では、カラーフィルタの位置は電極14
aとガラス基板11aの間に設けたが、基本的には電極14b
とプレート16との間、電極14cとプレート16との間、又
は電極15の上に設置することも可能である。

実施例４ 第９図にこの実施例のセル構造を示す。同図におい
て、21a,21bはガラス基板、26a,26bはオプティカルファ
イバープレート、23a〜23cは液晶層、22はシール剤、24
a〜24eは透明電極であり、この実施例では、GH液晶の３
層の積層とし、減法混色によりカラー表示を行うもので
ある。３層間は、オプティカルファイバープレート26a
と26bにより連結されており、25は実施例３と同様にし
て作成した反射型電極である。また、各基板の表面はポ
リイミド系垂直配向剤を使用し、液晶セルのセル厚は８
μｍ、ホスト液晶の螺旋ピッチは４μｍに調節した。こ
こでホスト液晶はメルク社製ZLI−1840とし、ゲストと
しては、液晶層23a〜23cに各々日本感光色素（株）製G2
09,G232及びBDH社製D35を2wt％程度使用した。さらに、
各層の表示絵素は互いに出来るだけ重なり合うように貼
り合わされている。

この液晶セルに各層独立にマルチプレックス駆動によ
り、電圧を印加すると、各層の相転移状態及び非相転移
状態の組み合わせにより、視差による絵素ずれなく８色
のマルチカラー表示が行えることを確認した。

なお、本実施例で使用したゲスト・ホスト材料は特に
限定するものではなく、シアン、マゼンダ、イエローを
表示する材料系であれば減法混色による８色マルチカラ
ーやフルカラー表示を行う上で、使用可能である。

以上の実施例１〜４では、単純マルチプレックス型の
パネル構造を用いたが、この代わりに薄膜トランジスタ
（TFT）等の三端子素子やMIM等の二端子素子を形成した
アクティブマトリクス型基板を用いれば、さらに良好な
表示特性が得られる。また、本実施例では、全て非絵素
部は光遮蔽状態であるが、実施例１〜３ではホスト液晶
材料として、誘電率異方性が負のものと、垂直配向もし
くは傾斜配を併用するか、非絵素部のみにSiOを極めて
薄く（例えば50Å程度）蒸着することにより垂直配向に
すれば、非絵素部は光透過状態となる。実施例４では、
非絵素部のみ（液晶セル厚）＜（ホスト液晶の螺旋ピッ
チ）の条件になる様、段差を設ければ光透過状態になる
ことが経験的に分かっている。この様なパネル構造は光
利用率が高まるため、特に反射型LCDを実現する上で有
用である。

（ト）発明の効果 この発明によれば、高精細で、かつ明るい液晶表示装
置が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の基本構造を示す構成説明図、第２図
は従来の二層型LCDの基本構造の説明図、第３図はオプ
ティカルファイバープレートの構造の一例を示す要部上
面図、第４図は実施例１による二層型GHセルの構成説明
図、第５図は二層型GHセルにおける液晶ねじれ角とコン
トラストの関係を示すグラフ、第６図は実施例２による
二層型GHセルの構成説明図、第７図は第６図の実施例を
プロジェクションシステムに使用した例を示す説明図、
第８図は実施例３による反射型カラーLCDの基本構造
図、第９図は実施例４による三層積層方式反射型カラー
LCDの基本構造図である。 11a,11b……ガラス基板、 12……シール剤、 13a,13b……液晶層、 14a〜14d……透明電極、 16……オプティカルファイバープレート。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 真理子 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−121018（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−25099（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の液晶層と、その液晶層間に挿入され
   オプティカルファイバーの集合体からなるファイバー基
   板と、前記複数の液晶層の最上面と最下面に設けられた
   一対の透明基板と、ファイバー基板の両面に設けられた
   同じパターンの透明電極と、前記一対の透明基板の内側
   に設けられた透明電極を備え、ファイバー基板は、その
   外周が導電物質でコーティングされたオプティカルファ
   イバーを備え、ファイバー基板の両面に設けられた前記
   透明電極が前記導電物質により電気的に短絡されること
   を特徴とする液晶表示装置。