JP3552624B2 - 反射型液晶表示装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフルカラー表示が可能な反射型液晶表示装置に関し、特に、カラー・フィルターを使用せずにフルカラー表示が可能な反射型液晶表示装置およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、フルカラー表示が可能な反射型液晶表示装置は、種々の構成のものが知られている。図１０はフルカラー表示が可能な反射型液晶表示装置の一例の構成を示す図である。図１０に示す例において、従来の反射型液晶表示装置５１は、上側および下側の２枚のガラス基板５２−１、５２−２の間に、図中上側から、画素部分にＲＧＢのいずれかの光のみを通すよう構成されたカラー・フィルター５３、ＩＴＯ等からなる透明電極５４、液晶５５、反射板となる金属電極５６、を順に配して構成されている。なお、実際には図１０に示す構成以外に偏光板、スペーサ等を備えているが、ここでは本発明に直接関係しないため省略している。
【０００３】
上述した従来型の反射型液晶表示装置の場合、光が入射時と出射時の２回カラー・フィルター５３を透過するため、入射光強度をＩｉｎ、出射光強度をＩｏｕｔ 、カラー・フィルター５３の透過率をＴ_Ｃ、反射板の強度をＲ_Ｍ、その他をまとめた定数をｋとすると、
Ｉｏｕｔ＝ｋＴ_Ｃ ^２Ｒ_ＭＩｉｎ …（１）
と表される。ここで、カラー・フィルター５３単体の光透過率Ｔ_Ｃは低いことが知られているため、反射型液晶表示装置の明るさがかなり低下してしまう。そのため、上述した従来型の反射型液晶表示装置では、光量不足となりフルカラー表示を十分な明るさで実施することができない問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した問題を解消するために、２色のカラー・フィルターを用いた反射型液晶表示装置が提案されている。これは、カラー・フィルターとしてＲ、Ｇ、Ｂの３原色ではなく、赤紫（＝赤（Ｒ）＋青（Ｂ））、緑（Ｇ）の２色を用いる。３原色を用いるかわりに２色を用いているため、カラー・フィルターの透過スペクトルの幅を広げて明るさを稼ぐことができる。ただし、３原色ではなく２色を用いているため、フルカラー表示が出来ない問題があった。また、２色とはいえカラー・フィルターを使用しているため、やはり明るさが低下する問題も残っていた。
【０００５】
また、カラー・フィルターを使用しない方法として、ＥＣＢ方式の反射型液晶表示装置が提案されている。これは、液晶層への印加電圧を変化させることによって液晶分子の傾きを変え、その結果生じる液晶層の複屈折性の変化を一対の偏光板で検出し、カラーを表示する方式である。すなわち、反射光の波長を印加電圧で制御するためカラー・フィルターが不要で明るくできる。ただし、この方式ではスペクトル光しか出せず、電圧による制御範囲も狭いため白、黒、青、緑、赤の５色しか表現できない問題があった。
【０００６】
さらに、特開平７−１７５０７９号公報では、コレステリック液晶により特定波長の特定方向で円偏光した光のみ反射させる反射液晶層を備えた液晶表示器が開示されている。これにより、カラー・フィルターや偏光板を使用せずに、光の利用効率が高く、しかも鮮やかな表示を行い得る液晶表示器を得ることができる。しかし、階調表示ができないとともに視野角による色変化が大きい問題があった。そのため、上述した液晶表示器は、固定されたデバイスとしてしか利用できなかった。
【０００７】
さらにまた、特開平７−２８７１１５号公報では、誘電体多層膜からなる多層干渉膜を備える反射型カラーフィルタおよびそれを利用した液晶表示装置が開示されている。これにより、反射板またはカラー・フィルターを使用せずに、実用上十分な明るさの表示が可能な反射型カラー液晶表示装置を得ることができる。しかし、誘電体多層膜からなる多層干渉膜の製造に非常に手間がかかり、コスト面でカラー液晶表示装置として実現することが難しい問題があった。
【０００８】
本発明は上述した課題を解消して、カラー・フィルターを使用しないため十分な明るさを確保でき、階調表示も可能で、視野角による色変化も少なく、しかも製造が簡単な反射型液晶表示装置およびその製造方法を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フルカラー表示が可能な反射型液晶表示装置に関する。この反射型液晶表示装置において、反射板として光の干渉を利用して特定の波長領域のみを選択的に反射する好ましくはグレーティング構造を有する光干渉反射板を使用し、入射光を前記光干渉反射板で選択的に反射した、ＲＧＢそれぞれの波長域の光のみからなる反射光を、ＲＧＢ各色の画素部分に各別に入射するよう構成する。本発明では、カラー・フィルターの働きを光干渉反射板が果たすことで、カラー・フィルターを用いずに、十分な明るさを確保でき、階調表示も可能で、視野角による色変化も少ない反射型液晶表示装置を得ることができる。
【００１０】
また、本発明のグレーティング構造を有する光干渉反射板を用いた反射型液晶表示装置の製造方法では、光干渉反射板のグレーティング構造を、金属基板の表面に型を押し付けるパターニングにより形成する。これにより、一枚の光干渉反射板を、型を一度金属基板の表面に押し付けるパターニング工程のみで形成でき、簡単に光干渉反射板すなわち反射型液晶表示装置を製造することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の反射型液晶表示装置の一例の構成を示す図である。図１に示す例において、本発明の反射型液晶表示装置１は、上側および下側の２枚のガラス基板２−１、２−２の間に、図中上側から、画素部分を画成するマスク３、ＩＴＯ等の材料からなる透明電極４、液晶５、反射板となる金属電極６、を順に配して構成されている。
【００１２】
上述した構成の反射型液晶表示装置において、従来の反射型液晶表示装置の特徴となる点は、すなわち、本発明の反射型液晶表示装置の特徴となる点は、カラー・フィルターを使用しない点、および、反射板となる金属電極６として、光の干渉を利用して特定の波長領域のみを選択的に反射する光干渉反射板６−１、６−２、６−３を使用した点である。例えば、図１に示す例では、赤色（Ｒ）のみえを反射する光干渉反射板６−１、緑色（Ｇ）のみを反射する光干渉反射板６−２、青色（Ｂ）のみを反射する光干渉反射板６−３、を画素部分に対応させて順に並べて反射板（金属電極６）を形成している。なお、本例では、光干渉反射板に金属電極の動作を兼ねさせているが、もちろん、光干渉反射板と金属電極とを別個に設けることもできる。また、カラー・フィルター以外の他の構成部材は従来と同じものを使用できることは言うまでもない。さらに、実際には図１に示す構成以外に偏光板、スペーサ等を備えているが、ここでは本発明に直接関係しないため省略している。
【００１３】
上述した構成の本発明の反射型液晶表示装置１では、入射光は上型のガラス基板２−１、透明電極４、液晶５を通過して光干渉反射板６−１、６−２、６−３に入射し、光干渉反射板６−１、６−２、６−３で反射した特定の色の反射光は、液晶５、透明電極４、ガラス基板２−１を介して液晶表示装置１から出射される。すなわち、図１に示す例では、マスク３で画成される画素部分を７−１、７−２、７−３とすると、赤色のみを反射する光干渉反射板６−１で反射した赤色の反射光は画素部分７−１を介して赤色の光として出射され、緑色のみを反射する光干渉反射板６−２で反射した緑色の反射光は画素部分７−２を介して緑色の光として出射され、青色のみを反射する光干渉反射板６−３で反射した緑色の反射光は画素部分７−３を介して青色の光として出射される。これにより、本発明の反射型液晶表示装置１において、フルカラー表示が可能となる。
【００１４】
上述したように、本発明の反射型液晶表示装置１では、従来と変わらないフルカラー表示を可能とするだけでなく、さらに、カラー・フィルターを使用しない分だけ入射光、反射光の減衰がなく、明るい表示を可能とする。すなわち、従来の反射型液晶表示装置５１で求めた式（１）の出射光強度Ｉｏｕｔ は、以下の式（２）として表すことができる。
Ｉｏｕｔ＝ｋＲ_ＭＩｉｎ …（２）
よって、
Ｉｏｕｔ（本発明）／Ｉｏｕｔ（従来）＝１／Ｔ_Ｃ ^２ …（３）
となり、本発明の反射型液晶表示装置１における出射光強度は従来のものと比べて１／Ｔ_Ｃ ^２倍となる。従来から知られているように、カラー・フィルターにおける光の減衰が大きいことから、１／Ｔ_Ｃ ^２の値も大きい値となり、本発明の反射型液晶表示装置１の有効性がわかる。
【００１５】
次に、上述した本発明の反射型液晶表示装置１の光干渉反射板６−１（６−２、６−３）について説明する。図２は本発明の反射型液晶表示装置１の光干渉反射板６−１の一例を拡大して示す図である。図２に示す例において、光干渉反射板６−１は、光干渉反射板６−１のＲＧＢ各色の画素部分に対応する部分、ここでは、光干渉反射板６−１の上側表面全体が、所定の凹部１１および凸部１２からなるグレーティング構造を有している。そして、金属製の光干渉反射板６−１の表面上に凹部１１と凸部１２からなるグレーティング構造を有している。そして、金属製の光干渉反射板６−１の表面上に凹部１１と凸部１２からなるグレーティング構造を形成し、凹部１１および凸部１２からなる段の高さを制御することで、光の干渉効果を利用することにより、画素毎にＲＧＢ各色の波長領域のみを選択的に反射することを可能としている。一例として、垂直に入射した入射光を、赤色（６２０ｎｍ）を選択的に反射させるためには段の高さを３１０ｎｍとし、緑色（５５０ｎｍ）を選択的に反射させるためには段の高さを２７５ｎｍとし、青色（４５０ｎｍ）を選択的に反射させるためには段の高さを２２５ｎｍとする。
【００１６】
図３は、図２で説明した光干渉反射板において、干渉による選択的な光の反射が発生する理由を説明するための概念図である。図３に示す例では、赤色を選択的に反射させるために段の高さを３１０ｎｍとした光干渉反射板６−１の例を示す。図３において、赤色の光は図中○印で示すように、凹部１１と凸部１２とで形成される段の上と下での反射光は同位相になり強め合う。一方、緑色および青色の光は図中×印で示すように、凹部１１と凸部１２とで形成される段の上と下での反射光は位相がずれるため打ち消し合う。このようにして、グレーティング構造の光干渉反射板において、干渉による選択的な光の反射が発生する。
【００１７】
以下、図４〜図６を参照して、上述した干渉による選択的な光の反射の概念をより詳細に説明する。まず、図４に示すように、２つの入射光が光干渉反射板の表面に対し垂直な軸と角度θで入射し、一方が凸部１２の凸部表面で反射し、他方が凹部１１の底面で反射するものとする。なお、凹部１１と凸部１２で形成される段の高さをｄ、一方の入射光が入射する凸部１２の表面の入射位置と他方の入射光が入射する凹部１１の底面の入射位置との間の光干渉反射板の表面上の距離をｗとする。図４に示す例において、一方の入射光と他方の入射光との光路差ｌはｌ＝ｌ_１＋ｌ_２となる。
【００１８】
ここで、図５に示すように、２つの入射光の凹部１１の底面と凸部１２の表面で入射する入射位置を結んだ線分（長さａ）と光干渉反射板の表面とのなす角度をφとすると、光路差ｌ_１は、
ｌ_１＝ａｓｉｎ（φ＋θ）
＝（ｄ^２＋ｗ^２）^１／２ｓｉｎ（φ＋θ）
と表せる。同様に、図６に示すように、光路差ｌ_２は、
ｌ_２＝ａｓｉｎ（φ−θ）
＝（ｄ^２＋ｗ^２）^１／２ｓｉｎ（φ−θ）
と表せる。以上のことから、光路差ｌは、
ｌ＝ｌ_１＋ｌ_２
＝ａ｛ｓｉｎ（φ＋θ）＋ｓｉｎ（φ−θ）｝
＝２ａｓｉｎφｃｏｓθ
＝２ａ（ｄ／ａ）ｃｏｓθ
＝２ｄｃｏｓθ
と表せる。そのため、例えば、θ＝０（垂直の場合）で波長６５０ｎｍの光のみ反射させたい場合は、
ｄ＝６５０／２
＝３２５ｎｍ
となる。
【００１９】
実際に上述した本発明の反射型液晶表示装置１を利用するときの状態を考えると、図７に示すように、光の干渉は、視点に入ってくる光ｌ１、ｌ２の光路差が干渉条件を満たす時に起こる。従って、２つの光のパスが違う事は関係しない。また、今回の例では、図７に示す例においてｈ（上述した例ではｗ）が３００ｎｍ程度なのに対しｌ１、ｌ２は３０ｃｍ程度なので、ｌ１、ｌ２は互いに併行であると仮定して干渉条件の計算を行っても問題は無い。さらに、上述した光干渉反射板の段の高さｄは、入射光と光干渉反射板の表面とのなす角度θによって異なる。そのため、実際に光干渉反射板の段の高さｄをＲＧＢ各色に対応して設計する際、どの角度の場合を基準にすべきかはっきりしない。この点について、本発明では、一番多い使用方法は、反射型液晶表示装置１の正面に視点があるとき、すなわち、上記角度θ＝０のときだと考え、θ＝０の場合のｄを求めて使用する。このとき、視野角特性（角度がかわっても見える光の波長すなわち色が変わらない）が問題となるが、本発明の反射型液晶表示装置１では、視野角が±３０°と変化しても視野角特性は悪化せずに利用できることを確認している。
【００２０】
図８は本発明の反射型液晶表示装置に用いる光干渉反射板の他の例の構成を示す図である。図８に示す例では、それぞれがグレーティング構造を有する凹部１１の底面と凸部１２の凸部表面をそれぞれ外方に突出する円弧状としている。本例では、それぞれがグレーティング構造を有する凹部１１の底面と凸部１２の凸部表面がすべて平面の上述した実施例と比較して、視野角特性が良くなる。
【００２１】
図９は図８に示す例において良好な視野角特性が得られる理由を説明するための図である。図９に示すように、深さｄ、幅ｗのグレーティングの表面が曲率半径Ｒの円弧である場合を考える。この時反射板に垂直に入射した光と反射光のなす角度をθとすると、この角度θはグレーティング表面上での反射位置によって変化しその値は、
θ ＝ ２ψ
で表されます。ここでψはグレーティング表面のと反射板に平行な面とのなす角で、
ψ ＝ Ａｓｉｎ（ ｗ ／ （２Ｒ） ）
と表すことができる。ここで波長６５０ｎｍの赤色光について考えると、
ｄ ＝ ｗ ＝ ６５０ （ｎｍ）
なので、例えば曲率半径Ｒが
Ｒ ＝ ６２０ （ｎｍ）
の場合、
θ ＝ ２ψ
〜 ３０ ［ｄｅｇ］
となり、反射板に垂直に入射する光に対し反射光は０〜±３０°の範囲に広がる。この結果から、グレーティングの表面を円弧状にすることで視野角特性が良好になることがわかる。
【００２２】
次に、本発明の反射型液晶表示装置の製造方法について説明する。本発明の反射型液晶表示装置の製造方法は、カラー・フィルターを組み込まない点および反射板として上述した構成の光干渉反射板を使用する点以外、基本的には従来の反射型液晶表示装置の製造方法と同じであるため、ここではそれらの説明を省略する。本発明では、カラー・フィルターを組み込む必要はないが、上述した図１に示す例のように、ガラス基板２−１と透明電極４との間に画素部分を画成するマスク３を設ける必要がある。そのため、従来型の反射型液晶表示装置で使用されているカラー・フィルター・レイヤーから、ＲＧＢの色ストライプ層を除いたものを作製し、ガラス基板２−１と透明基板４との間に設けることが好ましい。また、光干渉反射板特にグレーティング構造を有する光干渉反射板は、そのグレーティング構造を、金属基板の表面にグレーティング構造を形成する型を押し付けてパターニングすることで形成することができる。型は段の高さの異なるＲＧＢ各色別に３種類準備する必要があるが、一旦型を準備すれば、グレーティング構造を有する光干渉反射板を簡単な工程で得ることができ、反射型液晶表示装置を大量生産するための技術として好適である。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、カラー・フィルターの働きを光干渉反射板が果たすため、カラー・フィルターを用いずに、十分な明るさを確保でき、階調表示も可能で、視野角による色変化も少ない反射型液晶表示装置を簡単な工程で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の反射型液晶表示装置の一例の構成を示す図である。
【図２】本発明の反射型液晶表示装置の光干渉反射板の一例を拡大して示す図である。
【図３】図２で説明した光干渉反射板において、干渉による選択的な光の反射が発生する理由を説明するための概念図である。
【図４】干渉による選択的な光の反射の概念をより詳細に説明するための図である。
【図５】図４と同様に、干渉による選択的な光の反射の概念をより詳細に説明するための図である。
【図６】図４と同様に、干渉による選択的な光の反射の概念をより詳細に説明するための図である。
【図７】本発明の反射型液晶表示装置を利用するときの状態を示す図である。
【図８】本発明の反射型液晶表示装置に用いる光干渉反射板の他の例の構成を示す図である。
【図９】図８に示す例において良好な視野角特性が得られる理由を説明するための図である。
【図１０】従来の反射型液晶表示装置の一例の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 反射型液晶表示装置、２−１、２−２ ガラス基板、３ マスク、４ 透明電極、５ 液晶、６ 金属基板（反射板）、６−１、６−２、６−３ 光干渉反射板、７−１、７−２、７−３ 画素部分、１１ 凹部、１２ 凸部

Claims (2)

1. 反射型液晶表示装置において、反射板として、凹部の底面および凸部の表面が円弧状に突出する曲率を有する、ＲＧＢそれぞれの金属製グレーティングを使用し、入射光を前記各グレーティングで反射して、選択的に強められたＲＧＢそれぞれの波長域の光のみからなる反射光を、ＲＧＢ各色の画素部分に各別に入射するよう構成して、カラー表示を可能にしたことを特徴とする反射型液晶表示装置。
2. 前記金属グレーティングが、金属基板の表面にグレーティング構造を形成する型を押し付けてパターニングすることによって形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。

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