JP3007555B2

JP3007555B2 - 液晶表示素子

Info

Publication number: JP3007555B2
Application number: JP7116687A
Authority: JP
Inventors: 尚英脇田; 久典山口
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-05-18
Filing date: 1995-05-16
Publication date: 2000-02-07
Anticipated expiration: 2015-02-07
Also published as: JPH0836174A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ゲストホスト液晶を用
い、偏光板を用いない、明るい反射型液晶表示素子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ネマチック液晶を用いた表示素子には、
液晶分子の配向によっていくつかのモードがある。最も
普及しているのは、捻れネマチック（ＴＮ）モードであ
り、その他にホメオトロピック（垂直）配向やホモジニ
アス（水平）配向の複屈折モード、ゲストホストモード
等がある。

【０００３】ＴＮ液晶は、誘電率異方性が正のネマチッ
ク液晶を、水平配向処理を施した電極付き基板の間に挟
み、液晶分子長軸が基板間で９０°だけ連続的に捩れた
状態を安定状態としたものである。この場合、基板に垂
直に入射した直線偏光の偏波面は、液晶の配向に沿って
９０°だけ回転する。従って、偏光子と検光子を直交さ
せておけば、白表示となる。また、電圧印加によって液
晶分子が立つと、入射した直線偏光がそのまま液晶層を
進むため、検光子により吸収されて黒表示となる。

【０００４】ＴＮモードや複屈折モードの液晶表示素子
は偏光板を必要とするので、自然光の一方の偏光は吸収
されてしまう。このため、理想状態においても、透過率
は５０％以上とならず、通常、２０〜３０％程度であ
る。従って、特に外光を利用する反射型液晶を用いる
と、非常に暗い表示となってしまう。

【０００５】偏光板を用いない明るいモードとしては、
図４に示すような相転移ゲストホストモードがあり、明
るく、コントラストの高いモードとして現在最もよく研
究されている。そして、このモードを使ったマルチカラ
ー反射型ＴＦＴ液晶パネルが試作されている（例えば、
Ｓ．Ｍｉｔｓｕｉ，Ｙ．Ｓｈｉｍａｄａｅｔａ
ｌ．，ＳＩＤ′９２，ｐｐ４３７−４４０）。二色性色
素と、捩れピッチの比較的短いコレステリック液晶とを
混合したゲストホスト液晶を基板の間に挟むと、図４
（ａ）に示すように、捩れの螺旋が基板に垂直な方向に
配向する。この場合、入射光は色素に吸収され、例え
ば、黒の色素を用いれば黒表示となる。二色性色素は液
晶分子の長軸方向に沿った吸収軸を有するので、入射し
た直線偏光が液晶分子によって旋光されない方が吸光度
は高くなる。このため、複屈折率Δｎのできるだけ小さ
いホスト液晶が用いられる。この液晶に電圧を印加する
と、まず、図４（ｂ）に示すように螺旋軸が基板に水平
となり、さらに電圧を印加すると、捩れが解けて図４
（ｃ）に示すような垂直配向となる。この場合、色素の
吸光度が小さいために、背後の反射板の色が明るく見え
る。

【０００６】ゲストホスト液晶には、セル厚ｄを大きく
したり、色素濃度を上げると、コントラストは上がる
が、明るさが低下するといった性質がある。尚、暗状態
と明状態の透過率（又は反射率）の対数の比率を「二色
性比」と呼んで、ゲストホスト液晶の性能の指標として
いる。二色性比が大きいほど明るく、コントラストの高
い表示が得られる。相転移ゲストホストモードにおいて
二色性比を高くするためには、複屈折率Δｎを小さくす
ることの他に、セル厚ｄと液晶の捩れピッチｐとの比率
ｄ／ｐを大きくすることが有効である。しかし、ｄ／ｐ
を大きくすればするほど駆動電圧が高くなるといった副
作用がある。通常用いられているｄ／ｐの値は２程度で
あり、駆動電圧は１０Ｖ前後と高く、ＴＮモードの２倍
以上である。また、電圧を上げていくときと、下げてい
くときの閾値電圧が異なり、ヒステリシスを示す。この
ため、中間調表示は困難である。また、無電圧状態と飽
和状態との間に螺旋軸の方向が変わる中間状態を経るの
で、マトリクス駆動には適していない。

【０００７】偏光板を用いないもう一つのモードとして
は、図５に示すように、ホモジニアス（水平）配向させ
たゲストホスト液晶の背後に１／４波長板３１と反射板
３２を配置したモードがある（例えば、アプライドフ
ィジックスレターズ、３０巻、１２号、６１９頁、
Ｈ．Ｓ．ＣｏｌｅａｎｄＲ．Ａ．Ｋａｓｈｎｏｗ
（１９７７））。無電圧状態においては、図５（ａ）の
水平配向した液晶分子に平行な入射偏光は往路で色素に
吸収されてしまう。また、水平配向した液晶分子に垂直
な直線偏光は、液晶層を透過した後、往路の１／４波長
板３１を通って円偏光となり、反射板３２で反射されて
逆回りの円偏光となる。水平配向した液晶分子に垂直な
直線偏光は、さらに復路の１／４波長板３１を通って１
／２波長だけ位相がシフトし、液晶分子に水平な直線偏
光に変換されて液晶層に戻り、液晶中の二色性色素に吸
収されてしまう。このため、表示が暗くなる。一方、電
圧を印加すると、図５（ｂ）に示すような垂直配向とな
り、液晶層における光の吸収が少なくなる。このため、
表示が明るくなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の１
／４波長板を用いたものは、コントラストが非常に低い
ために、ほとんど注目されていなかった。このようにコ
ントラストが低いのは、光の入射角に依存して位相差が
異なるために、１／４波長板を往復した光が完全には直
線偏光に変換されず、復路で色素に吸収されない成分が
生じるからである。以下、このことを詳細に説明する。
すなわち、光の一方の偏光（液晶分子長軸に平行）は二
色性色素に吸収される。液晶分子長軸に垂直な偏光は液
晶層を透過し、位相差板へ入射する。位相差板として通
常の１／４波長板を用い、偏光と４５°の角度をなす遅
相軸方向の主屈折率をｎ_p、遅相軸と直交する進相軸方
向の主屈折率をｎ_sとする。液晶層を透過した偏光が、
液晶分子長軸と基板法線とを含む面において入射角θで
入射するときの位相差は、入射角θに伴って小さくなる
複屈折と、入射角θに伴って大きくなる距離との積によ
って表記され、下記（数１）のようになる。

【０００９】

【数１】

【００１０】上記（数１）によって表記される位相差
は、近似的に下記（数２）のようになり、入射角θが増
大すると、ｃｏｓθに比例して減少する。

【００１１】

【数２】

【００１２】これに対して、液晶分子短軸と基板法線と
を含む面においては複屈折は角度によらないため、位相
差は下記（数３）のようになり、入射角θが増大する
と、ｃｏｓθに反比例して急激に増加する。

【００１３】

【数３】

【００１４】このように、例えば、入射角θ＝０゜のと
きに位相差板の位相差がλ／４となるように設定して
も、入射角θが３０゜程度傾くだけで位相差板の位相差
は大きく変わり、復路で色素に吸収されない光が生じて
コントラストは極めて低くなる。

【００１５】また、この方式では液晶の配向がホモジニ
アス配向で、閾値特性の急峻性が不十分であるため、マ
トリクス駆動が可能な画素数はわずかである。一方、現
在広く使用されているモードとして、ＴＮモードの捩れ
を大きくした超捩れネマチック（ＳＴＮ）モードがあ
り、このモードにおいても位相差板が用いられている。
偏光板の間にＳＴＮ液晶を挟むと、捩れピッチが短いた
めに複屈折色を呈する。そして、この複屈折量（位相
差）が電圧によって変化することにより、表示の色が変
わる。ＳＴＮ液晶の色付きを無くすために、近年、高分
子からなる位相差板を用いる技術が著しく発達してき
た。ＳＴＮ液晶の複屈折によって生じる色付きを打ち消
すためには、通常、位相差が４００〜５００ｎｍ程度の
高分子位相差板が用いられる。しかし、この色消しのた
めの位相差板に入射角依存性があると、視角方向によっ
て表示が色づく等の欠点が生じるので、これを解消する
以下のような提案がなされている（例えば、Ｙ．Ｆｕｊ
ｉｍｕｒａ，Ｔ．Ｎａｇａｔｕｋａ，Ｈ．Ｙｏｓｈｉｍ
ｉａｎｄＴ．Ｓｈｉｍｏｍｕｒａ：ＳＩＤ′９１
Ｄｉｇｅｓｔ，３５．１（１９９１））。

【００１６】位相差板の面内の主屈折率ｎ_p、ｎ_s（ｎ
_p＞ｎ_s、ｎ_pの方向を遅相軸方向、ｎ_sの方向を進相
軸方向と呼ぶ）に対して、通常、厚み方向の主屈折率ｎ
_zはｎ_sと等しいかやや小さい。液晶パネルを正面から
見る場合にはｎ_zは関係しないが、液晶パネルを斜めか
ら見る場合にはｎ_zの成分が複屈折量に入ってくる。上
記（数３）に相当する方向、すなわち液晶分子短軸と基
板法線を含む面内の方向からは、ｎ_zをｎ_sよりも大き
くすることにより、斜めから見たときの複屈折率が小さ
くなり、光路が長くなるので、相殺されて位相差の変化
は小さくなる。

【００１７】長塚ら（上記）が行ったシミュレーション
によれば、下記（数４）の関係を満たす場合において、
位相差の入射角依存性が最も小さくなる。

【００１８】

【数４】

【００１９】上記（数４）の関係を実現する代表的な位
相差板として、日東電工（株）製の３次元屈折率制御位
相差フィルムＮＲＺがある。この位相差フィルムＮＲＺ
においては、ポリカーボネートの延伸方法を工夫するこ
とにより、厚み方向の主屈折率ｎ_zも制御されている。

【００２０】これ以外に、複屈折率Δｎが正と負の通常
の位相差フィルムを貼合わせることによっても、上記
（数４）の条件を満たす位相差板が実現される。本発明
は、以上のことに鑑みてなされたものであり、偏光板の
無い明るく、コントラストの高い反射型液晶表示素子を
提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る液晶表示素子の構成は、対向する電極
間に配向膜を介してゲストホスト液晶が挟まれた液晶層
と、前記液晶層の背後に配設された位相差板と、前記位
相差板の背後に配設された反射板とを少なくとも備え、
前記液晶層を通過した偏光が、前記位相差板に入射して
前記反射板で反射し、再度前記位相差板を出射したとき
に、前記偏光の相対位相差が１８０°だけずれるように
前記位相差板の位相差が設定されており、かつ、前記位
相差板の厚み方向の主屈折率が、面内の２つの主屈折率
の中間の値に設定されているものである。

【００２２】また、前記本発明の液晶表示素子の構成に
おいては、位相差板の位相差が、波長５５０ｎｍの光に
対してほぼ１／４波長であるのが好ましい。また、前記
本発明の液晶表示素子の構成においては、配向膜が垂直
配向膜であり、かつ、ゲストホスト液晶が、誘電率異方
性が負のネマチック液晶に二色性色素を混合したもので
あるのが好ましい。

【００２３】また、前記本発明の液晶表示素子の構成に
おいては、ゲストホスト液晶が、１８０°〜２５０°の
捩れネマチック構造を有し、前記捩れネマチック構造の
捩れピッチが、モーガンの極限値よりも大きいのが好ま
しい。

【００２４】また、この場合には、位相差板が１／４波
長板であり、前記位相差板の複屈折の主軸が、液晶層の
前記位相差板に最も近い液晶分子の配向方向と３０°〜
６０°の角度をなす方向に存在するのが好ましい。

【００２５】また、前記本発明の液晶表示素子の構成に
おいては、位相差板が、位相差の波長分散がポリカーボ
ネートよりも小さい材料からなるのが好ましい。

【００２６】また、この場合には、位相差板がポリビニ
ルアルコールからなるのが好ましい。

【００２７】また、前記本発明の液晶表示素子の構成に
おいては、位相差板が、屈折率の波長依存性が小さい位
相差板Ａと、屈折率の波長依存性が大きく、かつ、位相
差が前記位相差板Ａよりも小さい位相差板Ｂとを、遅相
軸をほぼ直交させて貼り合わせた積層位相差板であっ
て、前記位相差板Ｂの厚み方向の屈折率ｎ_zBが遅相軸方
向の屈折率ｎ_pBよりも大きいのが好ましい。

【００２８】

【作用】前記本発明の液晶表示素子の構成によれば、対
向する電極間に配向膜を介してゲストホスト液晶が挟ま
れた液晶層と、前記液晶層の背後に配設された位相差板
と、前記位相差板の背後に配設された反射板とを少なく
とも備え、前記液晶層を通過した偏光が、前記位相差板
に入射して前記反射板で反射し、再度前記位相差板を出
射したときに、前記偏光の相対位相差が１８０°だけず
れるように前記位相差板の位相差が設定されており、か
つ、前記位相差板の厚み方向の主屈折率が、面内の２つ
の主屈折率の中間の値に設定されているものであるた
め、どの方向から位相差板に入射した偏光も１／２波長
だけ回転し、入射偏光と直交する直線偏光となって液晶
層へ戻る。そして、この直線偏光は、往路と同様に液晶
分子長軸に沿って旋光し、ゲストホスト液晶中の二色性
色素に吸収される。このため、反射光が無くなると共
に、二色性比も大きくなる。従って、明るく、コントラ
ストの高い表示が実現される。

【００２９】また、前記本発明の液晶表示素子の構成に
おいて、位相差板の位相差が、波長５５０ｎｍの光に対
してほぼ１／４波長であるという好ましい例によれば、
波長５５０ｎｍの光の場合、どの方向から位相差板に入
射した偏光も１／２波長だけ回転する。

【００３０】また、前記本発明の液晶表示素子の構成に
おいて、配向膜が垂直配向膜であり、かつ、ゲストホス
ト液晶が、誘電率異方性が負のネマチック液晶に二色性
色素を混合したものであるという好ましい例によれば、
二色性比がさらに大きくなる。

【００３１】また、前記本発明の液晶表示素子の構成に
おいて、ゲストホスト液晶が、１８０°〜２５０°の捩
れネマチック構造を有し、前記捩れネマチック構造の捩
れピッチが、モーガンの極限値よりも大きいという好ま
しい例によれば、閾値特性の急峻性が向上し、マトリク
ス駆動が可能になる。

【００３２】また、この場合、位相差板が１／４波長板
であり、前記位相差板の複屈折の主軸が、液晶層の前記
位相差板に最も近い液晶分子の配向方向と３０°〜６０
°の角度をなす方向に存在するという好ましい例によれ
ば、コントラストの高い表示が実現される。

【００３３】また、前記本発明の液晶表示素子の構成に
おいて、位相差板が、位相差の波長分散がポリカーボネ
ートよりも小さい材料からなるという好ましい例によれ
ば、色付き表示が低減し、コントラストも高くなる。

【００３４】また、この場合、位相差板がポリビニルア
ルコールからなるという好ましい例によれば、位相差の
波長分散がポリカーボネートの場合よりも小さくなる。

【００３５】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的
に説明する。従来、明るさと、コントラストの指標であ
る二色性比が高く、反射型カラー液晶に最適として、相
転移ゲストホストモードが研究されてきた。一方、本発
明の液晶表示素子は、１／４波長板を用いたゲストホス
トモードと、入射角依存性を無くした位相差板とを組み
合わせたものであり、これにより従来のものと比較して
二色性比が２割も高い表示が得られる。

【００３６】ＳＴＮ用の位相差板としては、通常、位相
差が４００ｎｍ前後のフィルムが用いられていたが、位
相差のさらに小さいフィルムも作製可能である。入射角
が変わっても位相差の変化が極めて小さい位相差板の位
相差をλ／４相当まで小さくし、この位相差板をゲスト
ホスト液晶の背後に配置すれば、従来の１／４波長板を
用いたものでは非常に低かったコントラストが著しく高
くなる。

【００３７】また、従来のゲストホスト液晶はホモジニ
アス配向であったため、閾値特性の急峻性が得られず、
マトリクス駆動には適さなかったが、ＳＴＮ液晶で明ら
かなように、捩れ配向を与えることにより閾値特性の急
峻性が向上する。ところが、ＳＴＮ液晶では、複屈折に
よって入射直線偏光が楕円偏光となるような捩れに設定
されており、このような条件の下では、色素による吸光
度が低下してしまう。しかし、捩れ配向が導波路となる
モーガンの極限の条件を満たせば、入射した直線偏光の
偏波面が液晶分子長軸に沿って旋光するため、ホモジニ
アス配向の場合と同様の吸光度が得られる。ここで、モ
ーガンの極限の条件とは、液晶の複屈折をΔｎ、捩れピ
ッチをｐ、入射光の波長をλとした場合に下記（数５）
によって表記される条件である。

【００３８】

【数５】

【００３９】以下に、具体的実施例を挙げて本発明をさ
らに詳細に説明する。＜第１の実施例＞図１は本発明に係る液晶表示素子の一
実施例を示す断面図である。図１に示すように、ガラス
からなる上基板１の上には、酸化インジウム錫からなる
行電極３ａ、３ｂ及び３ｃが形成されている。また、同
じくガラスからなる下基板２の上には、酸化インジウム
錫からなる列電極４が形成されている。また、行電極３
ａ、３ｂ及び３ｃと列電極４の上には、ポリイミド配向
膜５が印刷され、どちらの基板も紙面の右から左の方向
へラビング処理が施されている。そして、これらの基板
は、球形スペーサを用いて１２μｍの間隔で貼り合わさ
れ、その周囲にはシール樹脂６が塗布されている。これ
により、空セルが形成されている。

【００４０】ＢＤＨ(株)製のネマチック液晶Ｅ−８（Δ
ｎ＝０．２３）に微量のカイラル剤Ｓ−８１１を混合し
てピッチ２４μｍのカイラルネマチック液晶とし、そこ
へアントラキノン系の二色性色素を複数色混合した黒の
二色性色素１１を１％溶解してゲストホスト液晶を生成
し、このゲストホスト液晶を上記空セルに注入した。こ
れにより、液晶パネル１２が形成されている。

【００４１】以上のようにして液晶パネル１２を形成し
たところ、液晶はセル内で１８０°捩れ、超ねじれネマ
チック構造７が実現された。透過偏光顕微鏡を用いてこ
のセルを観察したところ、上基板１の上の液晶分子８の
長軸に平行な偏光９は吸収され、液晶分子８の長軸に垂
直な偏光１０は透過してくるのが確認された。すなわ
ち、入射した直線偏光はいずれも捩れに沿って旋光し、
一方は二色性色素１１に吸収され、他方はほとんど吸収
されずに透過して破線の矢印１６、１６’のように進行
する。上記（数５）に示すモーガンの極限の条件式にこ
の液晶パネル１２の定数を当てはめると、捩れピッチｐ
が２４μｍ、液晶の複屈折Δｎが０．２３であるため、
波長６９０ｎｍまでのほとんどの可視光が上記（数５）
を満たしており、実験と一致していることが分かる。相
転移ゲストホストモードの場合は、液晶の複屈折は小さ
い方が良かったが、本実施例の液晶表示素子において
は、応答速度を上げるために、液晶の複屈折を大きくし
て、液晶層が薄くてもモーガンの極限値を超えるように
した。

【００４２】液晶パネル１２の背後には、１／４波長板
である日東電工（株）製のＮＲＺで、波長５５０ｎｍの
入射光に対して１４０ｎｍの位相差を与える位相差板１
３が配設されており、さらに、位相差板１３の背後には
拡散アルミ反射板１４が配設されている。位相差板１３
の延伸方向（複屈折の主軸方向）は、下基板２の上の液
晶分子１５の長軸（配向方向）に対して４５°の角度を
なす方向に向けられており、この方向の主屈折率ｎ_pと
面内でこれに直交する主屈折率ｎ_sとの差と、位相差板
１３の厚みｄとの積は１４０ｎｍ、ｎ_s、ｎ_pと厚み方
向の主屈折率ｎ _zとの差と、位相差板１３の厚みｄとの
積は７０ｎｍである。これにより、波長５５０ｎｍの光
は、およそ±５０°の、どの方向から位相差板１３に入
射した偏光も１／２波長だけ回転し、入射偏光と直交す
る直線偏光１７、１７’となって、液晶層へ戻る。そし
て、この直線偏光１７、１７’は、往路と同様に液晶分
子長軸に沿って旋光し、二色性色素１１に吸収される。
このため、反射光は無くなる。

【００４３】但し、位相差板を構成する材料がポリカー
ボネートである場合には、位相差の波長分散（波長依
存）が比較的大きく、特に青の波長は複屈折量Δｎｄ／
λが大きくなるので、吸収されない成分が多く、少し青
っぽい表示となる。ＳＴＮモードの色消しのための位相
差板としては、液晶分子の複屈折の波長分散に合わせた
方がよりコントラストが高いため、位相差の波長分散が
大きいポリカーボネートが適していた。しかし、本発明
の場合には、色付き表示が低減し、コントラストも高く
なる点で、位相差の波長分散の小さいポリビニルアルコ
ールの方が適している。

【００４４】この液晶表示素子の電極間に２．５Ｖ、６
０Ｈｚの矩形波を印加すると、図１の液晶分子１８と二
色性色素１９が共に垂直配向となる。このため、色素の
吸光度が低下して、明るい表示となる。明暗部のコント
ラストを、通常の天井灯の室内照明の下で、輝度計を用
いて測定したところ、約８：１であった。

【００４５】比較のために、同じ液晶パネルの背後に、
従来と同じ通常の１／４波長板と反射板を配置して測定
したところ、コントラストは約２．３であった。また、
本実施例の液晶パネルを通常の電圧平均化法によってマ
トリクス駆動すると、デューティー比１／３２でコント
ラスト４．５が得られた。尚、ホモジニアス配向ではデ
ューティー比１／４程度が限度である。また、パルス幅
変調によって中間実効電圧を与えれば、階調表示も容易
であった。

【００４６】液晶の捩れが本実施例の１８０°よりも大
きく２５０°以下であれば、閾値特性の急峻性がより向
上し、マトリクス駆動の可能な画素数が増える。しか
し、この場合においても、モーガンの極限値以上の捩れ
ピッチが保たれなければならないので、同じ液晶を用い
ればセル厚が増す。そして、このセル厚は通常のＳＴＮ
液晶の場合よりも大きいので、応答速度はかなり遅くな
る。液晶の捩れが１８０°の場合、応答速度は超捩れ配
向としては非常に速く、マトリクス駆動を行うときの閾
値特性の急峻性もある程度保たれるので、最もバランス
の取れた条件といえる。

【００４７】尚、本実施例においては、位相差板１３と
して１／４波長板である日東電工（株）製のＺＮＲのを
用いているが、必ずしもこれに限定されるものではな
く、反射した偏光が１／２波長だけ回転する位相差板で
あればよい。また、入射角依存性の補償の方法、及び位
相差も本実施例に挙げたものに限定されるものではな
い。例えば、通常の位相差７０ｎｍの一軸位相差板に、
位相差が−７０ｎｍの負の位相差板を貼り合わせても、
位相差の入射角依存性は小さくなり、コントラストは従
来よりも高くなる。

【００４８】また、白黒表示の場合、１／４波長板の基
準となる波長として視感度の最も高い５５０ｎｍを用い
るのが望ましいが、色表示の場合には、その表示色の波
長に合わせる必要がある。

【００４９】また、本実施例においては、下基板２の上
の液晶分子１５の長軸（配向方向）と位相差板１３の延
伸軸（複屈折の主軸）の交差角を４５°としているが、
必ずしもこの角度に限定されるものではなく、３０°〜
６０°の範囲の角度であれば、暗状態はかなり暗くな
り、コントラストの高い表示が実現される。

【００５０】＜第２の実施例＞上記第１の実施例におい
ては、多数ラインのマトリクス駆動が可能となるよう
に、水平配向膜を用いて１８０°ツイスト配向させた。
しかし、画素数の少ない表示パネルに用いる場合には、
閾値特性の急峻性が問題とならないので、二色性比をよ
り高くすることのできる配向状態を検討した。その結
果、配向膜として垂直配向膜を用い、液晶として誘電率
異方性が負のネマチック液晶を用いることにより、二色
性比がさらに大きくなることが分かった。なぜなら、水
平配向膜は束縛力が大きいため、配向膜近傍の液晶分子
並びに二色性色素分子は、電圧が加わっても動かないの
で、やや暗くなるからである。これに対して、垂直配向
膜は束縛力が非常に小さいため、配向膜近傍の液晶分子
も応答し、大きな二色性比が得られる。

【００５１】図２は本発明に係る液晶表示素子の第２の
実施例を示す断面図である。液晶２７としては、誘電率
異方性が負のメルク（株）製のＺＬＩ２８０６中にポジ
タイプの黒の二色性色素（分子が倒れたとき吸光する）
を２％溶かしたものを使用した。配向膜２５として、日
産化学（株）製のポリイミド系垂直配向膜ＳＥ１２１１
を両基板に塗布した。上基板には紙面右向きに、下基板
には紙面左向きに、互いに反平行となるようにラビング
処理を施した。そして、これらの基板を、球形スペーサ
を用いて５μｍ間隔で貼り合わせた。このようにして形
成された空セルに前記した液晶２７を注入したところ、
基板法線から数度傾いた配向３８、３９が実現された。
無電圧下においては、このようにほぼ垂直配向となるの
で、吸光されない。一方、電圧を印加すると、液晶分子
２８及び色素分子３１がラビング方向へ倒れて、ほぼホ
モジニアス（水平）配向状態となるため、配向方向に平
行な偏光９は吸光されてしまう。上記第１の実施例と同
様に、入射角依存性を補償した１／４波長板である位相
差板１３と反射板１４をセルの背後に配置すれば、往路
で透過した偏光１０は、位相差板１３から再び出射する
時に１８０°だけ位相が回転し、復路で吸光されてしま
う。

【００５２】位相差板１３として、上記第１の実施例と
同じ１／４波長板である日東電工（株）製のＺＮＲを用
いた場合、反射率は５０％、コントラストは１５であっ
た。二色性比に換算すれば、約４．９となる。比較のた
めに、同じ二色性色素を用いて、相転移ゲストホスト型
液晶パネルを作製したところ、反射率が５０％の場合
に、コントラストは約９であった。二色性比に換算すれ
ば、約４．２となる。このことから、本実施例の液晶表
示素子の方が、コントラストで約１．５倍、二色性比で
１８％も大きいことが分かる。また、本実施例の液晶表
示素子の構成によれば、階調表示も可能で、駆動電圧も
５Ｖと低くなった。尚、１／４波長板として入射角依存
性を補償していない位相差板を用いた場合には、反射率
が５０％のときに、コントラストは４．５と非常に低か
った。

【００５３】ところで、位相差板としてＮＲＺを用いた
場合には、位相差の波長依存性が大きいために、表示が
色づいてしまう。入射角依存性を補償しつつ、波長に比
例して位相差が単調増加する位相差板が実現されれば、
全ての波長に対して反射光が無くなり、色付き表示が低
減すると共に、コントラストもさらに高くなる。本発明
者らは、このような位相差板を、日東電工（株）製の広
帯域波長フィルムを改良することによって実現し、上記
第１の実施例の液晶表示素子をさらに改良した。

【００５４】まず、従来技術である日東電工（株）製の
広帯域波長フィルムの波長依存補償の原理について説明
する。この広帯域波長フィルムは、屈折率の波長依存性
の大きいフィルムａ（ポリカーボネート）と波長依存性
の小さいフィルムｂ（ポリプロピレン）を重ね合わせる
ことによって構成されている。図６に、これらのフィル
ムａ、ｂのΔｎｄの波長依存性を示す。実線３０ａ、３
０ｂはそれぞれのフィルムａ、ｂの位相差を示してい
る。また、実線３０ｃは、フィルムｂと、フィルムｂよ
りも薄いフィルムａとを、遅相軸を直交させて貼り合わ
せた積層フィルムのΔｎｄを示している。すなわち、実
線３０ｃは、フィルムｂのΔｎｄとフィルムａのΔｎｄ
との差になり、単調増加の曲線を描く。また、点直線３
１は、Δｎｄ＝λ／４の場合の位相差を示したものであ
り、実線３０ｃはこの点直線３１に近く、どの波長に対
してもΔｎｄ＝λ／４という条件に近いことが分かる。
しかし、従来の広帯域波長フィルムにおいては、入射角
依存性が補償されていないため、ＮＲＺを使用した場合
よりもコントラストが低下してしまった。

【００５５】広帯域波長フィルムのような積層フィルム
の入射角依存性を補償する第１の手段としては、貼り合
わせる２種類のフィルムのいずれをも、入射角依存性が
小さくなる上記（数４）を満たすように、厚み方向の屈
折率を調整する方法がある。しかし、実際には、このよ
うな調整が困難な材料もあり、また、コスト高にも繋が
る。そこで、本実施例においては、通常のポリプロピレ
ンフィルムと、厚み方向の屈折率ｎ_zを大きくしたポリ
カーボネートフィルムを貼り合わせることにより、積層
位相差板を構成した。

【００５６】図３は本発明に係る積層位相差板の構成を
示す概念図である。ポリプロピレンフィルムの遅相軸方
向、進相軸方向、厚み方向の屈折率及び厚みをｎ_p1、ｎ
_s1、ｎ_z1、ｄ₁とし、ポリカーボネートフィルムの遅相
軸方向、進相軸方向、厚み方向の屈折率及び厚みを
ｎ_p2、ｎ_s2、ｎ_z2、ｄ₂とする。ポリプロピレンフィル
ムの進相軸とポリカーボネートフィルムの進相軸とを直
交させるのは従来と同じであるが、本実施例において
は、ポリカーボネートフィルム厚み方向の屈折率ｎ_z2を
遅相軸方向の屈折率ｎ_p2よりも大きく設定している。な
ぜなら、ポリプロピレンフィルムの位相差は、進相軸方
向の屈折率ｎ_s1を含む面内で入射角θが大きくなると上
記（数３）に従ってｃｏｓθに反比例して大きくなる
が、もしｎ_z2＝ｎ _p2であれば、ポリカーボネートフィル
ムの位相差がｃｏｓθに反比例し、積層位相差板全体の
位相差もｃｏｓθに反比例して大きくなるため、ポリカ
ーボネートフィルムの入射角依存性がさらに大きくなる
からである。

【００５７】ｎ_z2＝ｎ_p2の場合、積層位相差板の位相差
は下記（数６）のように表記され、仮想的には入射角依
存性を補償していない単層の１／４波長板と同じであ
る。

【００５８】

【数６】

【００５９】従って、この仮想の単層１／４波長板の入
射角依存性を補正するために上記（数４）を当てはめれ
ば、下記（数７）の関係を満たすように設計した場合に
位相差の入射角依存性が最も小さくなることが予想され
る。

【００６０】

【数７】

【００６１】上記（数７）は、ポリカーボネートフィル
ムの厚み方向の屈折率ｎ_z2と遅相軸方向の屈折率ｎ_p2の
差と、ポリカーボネートフィルムの厚みｄ₂との積（ｎ
_z2−ｎ _p2）×ｄ₂が、積層位相差板の位相差のほぼ半分
であることを意味している。実際、図４の積層位相差板
のｎ_z2を変えて観察したところ、これが事実であること
が確認された。本実施例においては、ポリプロピレンフ
ィルムの面内の複屈折（ｎ_p1−ｎ_s1）ｄ₁が６０５ｎ
ｍ、ポリカーボネートフィルムの面内のΔｎｄ、すなわ
ち（ｎ_p2−ｎ_s2）×ｄ₂が４６５ｎｍ、（ｎ_z2−ｎ_s2）
×ｄ₂が５３５ｎｍとなる積層位相差板を使用した。但
し、これらの位相差は波長５５０ｎｍの光によって測定
した場合の値である。

【００６２】この入射角依存性と波長依存性を補償した
積層位相差板を図２の構成を有する液晶表示素子に用い
たところ、無電圧状態における反射率は約５０％、５Ｖ
印加時のコントラストは約２０となり、明るく、高コン
トラストで、しかも無彩色の白黒コントラスト表示が実
現された。また、二色性比に換算すると、５．３とな
る。すなわち、相転移ゲストホスト型液晶パネルの場合
と比較して、コントラストは２倍となり、二色性比は２
６％も大きくなる。尚、入射角依存性と波長依存性の両
方を補償できる本発明の積層位相差板においては、波長
依存性の大きいポリカーボネートフィルムの厚み方向の
屈折率ｎ_z2が遅相軸方向の屈折率ｎ_p2よりも大きいが、
積層位相差板全体としては上記（数４）を満足する。

【００６３】すなわち、上記したように、（ｎ_p1−
ｎ_s1）ｄ₁＝６０５ｎｍ、ｎ_z1＝ｎ_s1、（ｎ_p2−ｎ_s2）
ｄ₂＝４６５ｎｍ、（ｎ_z2−ｎ_s2）ｄ₂＝５３５ｎｍで
あるため、これらの関係式から、積層位相差板の遅相軸
方向、進相軸方向、厚み方向の平均屈折率Ｎ_p、Ｎ_s、
Ｎ_zは、下記（数８）〜（数１０）のように表記され
る。

【００６４】

【数８】

【００６５】

【数９】

【００６６】

【数１０】

【００６７】また、（数８）−（数９）より、下記（数
１１）の関係式が導かれ、（数９）−（数１０）より、
下記（数１２）の関係式が導かれる。

【００６８】

【数１１】

【００６９】

【数１２】

【００７０】さらに、上記（数１１）、（数１２）よ
り、下記（数１３）の関係式が導かれる。

【００７１】

【数１３】

【００７２】上記（数１３）は上記（数４）と同じ関係
式であり、位相差の入射角依存性が最も小さくなること
を示している。すなわち、本積層位相差板は、本発明の
液晶表示素子の位相差板として有用である。

【００７３】尚、本実施例においては、積層位相差板の
位相差をλ／４としているが、本発明の液晶表示素子以
外に使用する場合には、上記（数７）のλ／８の代わり
にφ／２（φは位相差）を代入した条件を満たすように
一方の位相差板を設計することにより、位相差の波長依
存性と入射角依存性を補償した積層位相差板が得られ
る。

【００７４】また、本実施例においては、積層位相差板
の素材としてポリプロピレンとポリカーボネートを用い
ているが、必ずしもこの構成に限定されるものではな
く、積層位相差板を構成する２種類の材料のうち屈折率
の波長依存性が小さい材料としてポリビニルアルコール
を用いることもできる。

【００７５】以上のように、本発明の液晶表示素子は、
ＳＴＮの複屈折モードにおいて用いられていた視野角補
償位相差板を、従来コントラストが非常に低いために注
目されていなかった１／４波長板を用いる反射型ゲスト
ホスト液晶と組み合わせたものである。これにより、従
来の反射型液晶の問題点がすべて解消され、明るく、非
常にコントラストの高い、かつ、階調表示も容易で、駆
動電圧の低い液晶表示素子が実現される。また、１／４
波長板の入射角依存性と波長依存性の両方を補償するこ
とのできる位相差板が実現され、これを本発明の液晶表
示素子に用いることにより、表示性能がさらに向上す
る。

【００７６】また、従来、ゲストホストモードにおいて
は、ゲストホスト液晶がホモジニアス配向や相転移ゲス
トホストのように３６０°以上捩れていたため、マトリ
クス駆動は困難であった。しかし、本実施例のように、
ゲストホスト液晶を２５０°以下の捩れネマティック構
造とし、この捩れネマティック構造の捩れピッチをモー
ガンの極限値よりも大きくすれば、入射角依存性を補償
した位相差板と組み合わせることにより、単純マトリク
ス駆動によってもコントラストの高い表示を実現するこ
とが可能となる。本発明の液晶セルにアクティブ素子を
付加して多数の画素を駆動し、高透過率のマイクロカラ
ーフィルターを用いれば、反射型でカラー表示も可能に
なる。但し、本発明の液晶表示素子においては、液晶層
の背後に位相差板と反射板とが設けられるので、液晶層
と位相差板及び反射板との距離が大きい場合には二重像
が見える。このため、理想的には、位相差板と反射板が
液晶パネルの内部に設けられるのが望ましい。位相差板
と反射板を液晶パネルの外部に設ける場合には、液晶層
と位相差板との間に入る基板としてなるべく薄いもの、
例えばプラスチックフィルム基板等を用いるのが望まし
い。これにより、画素ピッチが細かい場合であっても、
二重像の問題はほぼ解消される。

【００７７】本発明の液晶セルにアクティブ素子を付加
して多数の画素を駆動し、高透過率のマイクロカラーフ
ィルターを用いれば、反射型でカラー表示も可能にな
る。但し、本発明の液晶表示素子においては、液晶層の
背後に位相差板と反射板とが設けられるので、液晶層と
位相差板及び反射板との距離が大きい場合には二重像が
見える。このため、理想的には、位相差板と反射板が液
晶パネルの内部に設けられるのが望ましい。位相差板と
反射板を液晶パネルの外部に設ける場合には、液晶層と
位相差板との間に入る基板としてなるべく薄いもの、例
えばプラスチックフィルム基板等を用いるのが望まし
い。これにより、画素ピッチが細かい場合であっても、
二重像の問題はほぼ解消される。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る液晶
表示素子によれば、どの方向から位相差板に入射した偏
光も１／２波長だけ回転し、入射偏光と直交する直線偏
光となって液晶層へ戻る。そして、この直線偏光は、往
路と同様に液晶分子長軸に沿って旋光し、ゲストホスト
液晶中の二色性色素に吸収される。このため、反射光が
無くなると共に、二色性比も大きくなる。従って、明る
く、コントラストの高い表示が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る液晶表示素子の第１の実施例を示
す断面図である。

【図２】本発明に係る液晶表示素子の第２の実施例を示
す断面図である。

【図３】本発明に係る積層位相差板の概念図である。

【図４】従来技術における液晶表示素子の一例を示す断
面図である。

【図５】従来技術における液晶表示素子の他の一例を示
す断面図である。

【図６】従来技術における積層位相板の位相差の波長依
存特性図である。

【符号の説明】

１上基板２下基板３ａ、３ｂ、３ｃ行電極４列電極５、２５配向膜６シール樹脂７超捩れネマチック構造８、１５、１８、２８液晶分子９、１０偏光１１、１９二色性色素１２液晶パネル１３位相差板１４反射板２７液晶３１色素分子３８、３９配向

フロントページの続き (56)参考文献特開平２−256023（ＪＰ，Ａ) 特開平３−13916（ＪＰ，Ａ) 特開平３−103822（ＪＰ，Ａ) 特開平６−11710（ＪＰ，Ａ) 特開平６−82779（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−84625（ＪＰ，Ａ) 特開平７−198943（ＪＰ，Ａ) 特開平７−181325（ＪＰ，Ａ) 特開平３−279903（ＪＰ，Ａ) 特開平４−412（ＪＰ，Ａ) 特開平４−32818（ＪＰ，Ａ) 特開平４−162018（ＪＰ，Ａ) 特開平６−88954（ＪＰ，Ａ) 特開平６−88962（ＪＰ，Ａ) 特開平７−20316（ＪＰ，Ａ) 特開平７−225318（ＪＰ，Ａ) 特開平７−244280（ＪＰ，Ａ) 特開平７−253573（ＪＰ，Ａ) 特開平５−66401（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−120227（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/13363

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】対向する電極間に配向膜を介してゲスト
ホスト液晶が挟まれた液晶層と、前記液晶層の背後に配
設された位相差板と、前記位相差板の背後に配設された
反射板とを少なくとも備え、前記液晶層を通過した偏光
が、前記位相差板に入射して前記反射板で反射し、再度
前記位相差板を出射したときに、前記偏光の相対位相差
が１８０°だけずれるように前記位相差板の位相差が設
定されており、かつ、前記位相差板の厚み方向の主屈折
率が、面内の２つの主屈折率の中間の値に設定されてい
る液晶表示素子。
【請求項２】位相差板の位相差が、波長５５０ｎｍの
光に対してほぼ１／４波長である請求項１に記載の液晶
表示素子。
【請求項３】配向膜が垂直配向膜であり、かつ、ゲス
トホスト液晶が、誘電率異方性が負のネマチック液晶に
二色性色素を混合したものである請求項１に記載の液晶
表示素子。
【請求項４】ゲストホスト液晶が、１８０°〜２５０
°の捩れネマチック構造を有し、前記捩れネマチック構
造の捩れピッチが、モーガンの極限値よりも大きい請求
項１に記載の液晶表示素子。
【請求項５】位相差板が１／４波長板であり、前記位
相差板の複屈折の主軸が、液晶層の前記位相差板に最も
近い液晶分子の配向方向と３０°〜６０°の角度をなす
方向に存在する請求項４に記載の液晶表示素子。
【請求項６】位相差板が、位相差の波長分散がポリカ
ーボネートよりも小さい材料からなる請求項１に記載の
液晶表示素子。
【請求項７】位相差板がポリビニルアルコールからな
る請求項６に記載の液晶表示素子。
【請求項８】位相差板が、屈折率の波長依存性が小さ
い位相差板Ａと、屈折率の波長依存性が大きく、かつ、
位相差が前記位相差板Ａよりも小さい位相差板Ｂとを、
遅相軸をほぼ直交させて貼り合わせた積層位相差板であ
って、前記位相差板Ｂの厚み方向の屈折率ｎ_zBが遅相軸
方向の屈折率ｎ_pBよりも大きい請求項１に記載の液晶表
示素子。