JP3575608B2

JP3575608B2 - Liquid crystal display

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Publication number: JP3575608B2
Application number: JP2002251903A
Authority: JP
Inventors: 雅宏清水; 康尚伊藤; 真澄久保
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2019-03-24
Also published as: JP2003084313A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶表示装置に関し、特に反射モードの表示と透過モードの表示を行うことが可能な、反射透過両用型の液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶表示装置には、周囲光を利用する反射型表示装置、バックライト光を利用する透過型表示装置、ハーフミラーとバックライトを備えた半透過型表示装置があった。
【０００３】
反射型液晶表示装置は、薄暗い環境下では表示が見えにくくなり、透過型液晶表示装置は、周囲光が強い、例えば屋外など太陽光のもとでは、表示がかすんで見えにくくなるという欠点があった。どのような環境下でも良好な表示ができるように、これらの両方の表示モードを併用した液晶表示装置として、特開平７−３３３５９８号公報は、半透過型液晶表示装置を開示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の半透過型液晶表示装置には、下記の問題があった。
従来の半透過型液晶表示装置は、反射型液晶表示装置における反射板に代えてハーフミラーを用い、微少な透過領域（例えば、金属薄膜中の微少な穴）を反射領域内に設け、反射光とともに透過光を利用して表示を行っている。表示に用いられる反射光と透過光は同じ液晶層を通過するので、反射光の光路は透過光の光路の２倍となり、反射光と透過光に対する液晶層のリタデーションが大きく異なるので、良好な表示を得ることができなかった。また、反射モードと透過モードの表示が重畳されているので、反射モードの表示と透過モードの表示を個別に最適化できないので、カラー表示が困難であったり、ぼやけた表示になるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、量産性にすぐれ、周囲光の明るさによらず、良好な表示が可能な液晶表示装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の液晶表示装置は、第１及び第２基板と、該第１基板と第２基板との間に挟持された液晶層とを有し、該液晶層に電圧を印加する一対の電極によって規定される複数の絵素領域を有する液晶表示装置であって、該複数の絵素領域毎に、反射領域と透過領域とを有し、該液晶層は、正の誘電率異方性を有する液晶材料からなり、該第１基板の該液晶層とは反対側に設けられた第１偏光素子と、該第２基板の該液晶層とは反対側に設けられた第２偏光素子と、該第１偏光素子と該液晶層との間に設けられた第１位相差補償素子と、該第２偏光素子と該液晶層との間に設けられた第２位相差補償素子とを有し、該液晶層のツイスト角θ_ｔは０°以上９０°以下であり、該反射領域の該液晶層の可視光領域のリタデーションＲｄとツイスト角θ_ｔが、式（１）と式（２）、式（３）と式（４）とでそれぞれ表される曲線で包囲される範囲、０°≦θ_ｔ≦５４．３°の範囲において、式（５）と式（６）および式（７）と式（８）とでそれぞれ表される曲線で包囲される範囲、および５４．３°＜θ_ｔ≦９０°の範囲において、式（５）と式（８）で表される曲線で包囲される範囲であり、且つ、
該透過領域の該液晶層の可視光領域のリタデーションＲｄとツイスト角θ_ｔが、式（９）と式（１０）、式（１１）と式（１２）でそれぞれ表される曲線で包囲される範囲であり、上記のそれぞれの式が、
Ｒｄ＝−０．００４３・θ_ｔ ^２−０．０６５・θ_ｔ＋１０１１．８（１）
Ｒｄ＝−０．００８９・θ_ｔ ^２＋０．１３７９・θ_ｔ＋９１４．６８（２）
Ｒｄ＝−０．００１５・θ_ｔ ^２−０．１６１２・θ_ｔ＋７３７．２９（３）
Ｒｄ＝−０．００６４・θ_ｔ ^２−０．００４３・θ_ｔ＋６４０．６５（４）
Ｒｄ＝−０．０１７８・θ_ｔ ^２＋０．２２１９・θ_ｔ＋４５８．９２（５）
Ｒｄ＝−０．０４０５・θ_ｔ ^２＋０．４０４５・θ_ｔ＋３６４．０５（６）
Ｒｄ＝０．０３４７・θ_ｔ ^２−０．４１６１・θ_ｔ＋１８６．５３（７）
Ｒｄ＝０．００９８・θ_ｔ ^２−０．１９１２・θ_ｔ＋８９．８７３（８）
Ｒｄ＝−０．００４３・θ_ｔ ^２−０．０６５・θ_ｔ＋９９５．６６（９）
Ｒｄ＝−０．００５８・θ_ｔ ^２−０．０２０２・θ_ｔ＋６６５．８（１０）
Ｒｄ＝−０．０２４８・θ_ｔ ^２＋０．６３０７・θ_ｔ＋４３９．５８（１１）
Ｒｄ＝０．０１８１・θ_ｔ ^２−０．６６６２・θ_ｔ＋１０９．５１（１２）
であり、そのことによって上記目的が達成される。
【０００７】
前記リタデーションＲｄが、反射領域のツイスト角θ_ｔが０°≦θ_ｔ≦５４．３°の範囲において、上記式（７）および上記式（８）で表される曲線で包囲される範囲、および前記リタデーションＲｄが、反射領域のツイスト角θ_ｔが５４．３°＜θ_ｔ≦９０°の範囲において、上記式（５）および上記式（８）で表される曲線で包囲される範囲とし、且つ、前記透過領域のツイスト角θ_ｔが０°以上９０°以下の範囲において、前記リタデーションが上記式（１１）と上記式（１２）とで表される曲線で包囲される範囲にあることが好ましい。
【０００８】
前記反射領域と前記透過領域は、同じ液晶材料からなる液晶層を有し、該反射領域の該液晶層の厚さは、該透過領域の該液晶層の厚さよりも小さいことが好ましい。
【０００９】
前記第１位相差補償素子は、第１の位相差板を有し、前記液晶層のツイスト角θ_ｔが０゜で、前記反射領域のリタデーションＲｄが９０ｎｍ≦Ｒｄ≦１８７ｎｍであり、前記透過領域のリタデーションＲｄが１１０ｎｍ≦Ｒｄ≦４４０ｎｍであり、かつ、該第１位相差板のリタデーションＲｄが３０ｎｍ≦Ｒｄ≦２５０ｎｍの範囲であってもよい。
【００１０】
前記第１位相差補償素子は、さらに第２の位相差板を有し、該第２位相差板のリタデーションＲｄが２２０ｎｍ≦Ｒｄ≦３３０ｎｍの範囲であってもよい。
【００１１】
前記第２位相差補償素子は、第３の位相差板を有し、該第３の位相差板のリタデーションＲｄが１２０ｎｍ≦Ｒｄ≦１５０ｎｍの範囲であってもよい。
【００１２】
前記第２位相差補償素子は、さらに、第４の位相差板を有し、該第４の位相差板のリタデーションＲｄが２４０ｎｍ≦Ｒｄ≦３１０ｎｍの範囲であってもよい。
【００１３】
以下、本発明の作用について説明する。まず、本願明細書で用いる用語の定義を説明する。反射透過両用型液晶表示装置において、透過光を用いて表示を行う領域を透過領域、反射光を利用して表示を行う領域を反射領域とそれぞれ呼ぶ。透過領域および反射領域は、それぞれ、基板上に形成された透過電極領域および反射電極領域と、一対の基板に挟持された液晶層とを含む。基板上の透過電極領域および反射電極領域が、反射領域および透過領域の２次元的な広がりをそれぞれ規定する。透過電極領域は、典型的には透明電極によって規定される。反射電極領域は、反射電極または、透明電極と反射電極との組み合わせによって規定され得る。
【００１４】
本発明の液晶表示装置は、絵素領域ごとに反射領域と透過領域とを有する。従って、反射領域と透過領域についてそれぞれ独立に液晶層のリタデーションを最適化することができる。具体的には、反射領域の液晶層のリタデーションを式（１）と式（２）、式（３）と式（４）、式（５）と式（６）、式（７）と式（８）でそれぞれ表される曲線で包囲される範囲（図５のハッチング領域（ダブルハッチング領域を含む））に設定し、透過領域の液晶層のリタデーションを式（９）と式（１０）、式（１１）と式（１２）とで包囲される範囲に（図６中のハッチング領域（ダブルハッチング領域を含む））に設定することによって、反射領域の明るさ（反射率）を７０％以上、透過領域の明るさ（透過率）を３０％以上とすることができる。
【００１５】
これらのリタデーションの条件は、可視光の中心波長（視感度が高い）５５０ｎｍの波長に対して満足することが好ましい。更に、可視光の全ての波長範囲（４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下）について満足することがより好ましい。
【００１６】
さらに、ツイスト角θ_ｔは、０°〜９０°の範囲にあるので、１回のラビング処理で、液晶層の厚さが異なる反射領域および透過領域の両方の領域のツイスト角を同じにできる。反射領域と透過領域のツイスト角が異なるようにするには、２つの領域に別々にラビングをしなければならず、製造プロセスが複雑になるという問題が生じる。
【００１７】
さらに、前記リタデーションＲｄが、反射領域のツイスト角θ_ｔが０°≦θ_ｔ≦５４．３°の範囲において、上記式（７）および上記式（８）で表される曲線で包囲される範囲、および前記リタデーションＲｄが、反射領域のツイスト角θ_ｔが５４．３°＜θ_ｔ≦９０°の範囲において、リタデーションを式（５）と式（８）とで表される曲線で包囲される範囲（図５中のダブルハッチング領域）とし、且つ、透過領域のツイスト角θ_ｔが０°以上９０°以下の範囲においてリタデーションを式（１１）と式（１２）とで表される曲線で包囲される範囲（図６中のダブルハッチング領域）とすることによって、電圧印加時に、反射領域および透過領域の液晶層のリタデーションは０となり、このとき黒表示となるように設定すれば、反射領域および透過領域に同じ電圧を印加することで、同時に良好な黒表示が実現される。さらに、上記の条件は、白表示を実現するための条件として、リタデーションが０に最も近い白領域（図７、図８における低リタデーション側から第１ピーク）を選択することに対応し、階調表示も良好に行える。すなわち、白表示から黒表示へ変化する中間状態において、明るさ（反射率および透過率）が単調減少するので、良好な階調表示が得られる。もし、白表示を実現する条件として、図７および図８における、低リタデーション側からの第２ピークに、白領域を設定すれば、中間調表示領域に第１ピークが存在して、良好な階調表示とすることができない。
【００１８】
透過領域と反射領域の液晶層を同一の液晶材料で構成した方が、液晶材料の種類を変える場合よりも、構成や製造方法が簡略される。反射領域と透過領域とでそれぞれ異なるリタデーションを設定するために、反射領域と透過領域の液晶層の厚さを変えるのが有効である。さらに、反射領域と透過領域とにおける表示に寄与する光に対する光路長を一致させるためには、透過領域の液晶層の厚さを反射領域の液晶層の厚さよりも厚くするのが有効である。透過領域の液晶層の厚さが反射領域の液晶層の厚さの２倍であることが最も好ましい。
【００１９】
第１位相差補償素子が第１の位相差板を有し、液晶層のツイスト角θ_ｔが０゜で、反射領域のリタデーションＲｄが９０ｎｍ≦Ｒｄ≦１８７ｎｍであり、透過領域のリタデーションＲｄが１１０ｎｍ≦Ｒｄ≦４４０ｎｍであり、かつ、第１位相差板のリタデーションＲｄが３０ｎｍ≦Ｒｄ≦２５０ｎｍの範囲であれば、反射領域の表示を明るく、高コントラスト比を有するノーマリホワイトモードで実現することができる。
【００２０】
第１位相差補償素子が第１の位相差板に加えて、第２の位相差板を有し、この第２位相差板のリタデーションＲｄが２２０ｎｍ≦Ｒｄ≦３３０ｎｍの範囲であれば、反射領域の波長特性が緩和されるので、さらに高コントラストな表示を行うことができる。
【００２１】
第２位相差補償素子が第３の位相差板を有し、第３の位相差板のリタデーションＲｄが１２０ｎｍ≦Ｒｄ≦１５０ｎｍの範囲であれば、透過領域においても、暗時の最適化が行われるので、さらに高コントラストな表示を行うことができる。
【００２２】
第２位相差補償素子が第３の位相差板に加えて、第４の位相差板を有し、この第４の位相差板のリタデーションＲｄが２４０ｎｍ≦Ｒｄ≦３１０ｎｍの範囲であれば、透過領域の波長特性が緩和されるので、さらに高コントラストな表示を行うことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態１における反射透過両用型液晶表示装置１００の部分断面図を図１Ａに示す。また、図１Ｂに、液晶表示装置１００のアクティブマトリクス基板７０の上面図を示す。図１Ａは図１ＢのＡ−Ａ線に沿った断面図に相当する。
【００２４】
図１Ａに示したように、液晶表示装置１００は、アクティブマトリクス基板７０と対向基板（カラーフィルタ基板）１６０と、これらの間に挟持された液晶層１４０とを有している。アクティブマトリクス基板７０および対向基板１６０の液晶層１４０とは反対側の表面には、それぞれ位相差補償素子（位相差板や位相差フィルムおよびこれらの積層体など）１７０および１８０が設けられている。さらに、これらを挟持するように、位相差補償素子１７０および１８０の外側に偏光素子（偏光板や偏光フィルムなど）１７２および１８２が設けられている。
【００２５】
図１Ａおよび図１Ｂに示したように、反射透過両用型のアクティブマトリクス基板７０は、絶縁基板であるガラス基板６１の上に、走査線としての複数のゲートバスライン７２および信号線としてのソースバスライン７４が交互に交差して設けられている。各ゲートバスライン７２および各ソースバスライン７４によって囲まれた矩形状の領域内には、光反射効率の高い材料（例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ｔａ）からなる反射電極６９と、それとは別に、光透過効率の高い材料（例えば、ＩＴＯ）からなる透明電極６８とが配置されており、これら反射電極６９と透明電極６８とで画素電極を形成している。反射電極６９の下には、高さの高い凸部６４ａと高さの低い凸部６４ｂとこれらの上に形成された高分子樹脂膜６５が形成されており、反射電極６９の表面は連続した波形になっている。凸部の高さは一種類でもよい。
【００２６】
反射電極６９はＴＦＴ７１のドレイン電極７６とコンタクトホール７９で接続されている。ＴＦＴ７１はゲート電極７３を覆うゲート絶縁膜６１ａ上に堆積された半導体層７７で形成されている。ＴＦＴ７１のゲート電極７３およびソース電極７５は、それぞれゲートバスライン７２およびソースバスライン７４から分岐されて形成されている。
【００２７】
対向基板（カラーフィルタ基板）１６０は、絶縁基板であるガラス基板１６２上に、カラーフィルタ層１６４およびＩＴＯ等からなる透明電極１６６が形成されている。両基板７０及び１６０の液晶層１４０側表面には、水平配向膜（不図示）が形成されている。配向膜の塗布後、ラビング等により希望のツイスト角度になるよう配向処理を施してある。液晶層１４０には、正の誘電異方性を有するネマチック液晶材料を用いる。液晶層１４０の液晶分子は、水平配向性の配向膜に対するラビング等の配向処理により、基板面に対して０．１゜から５゜程度のチルト角を持つ。液晶分子は、電圧無印加時に基板面に平行に配向し、電圧印加時に基板面の法線方向に傾く。
【００２８】
液晶表示装置１００の最小の表示の単位となる絵素は、反射電極６９によって規定される反射領域１２０Ｒと透明電極６８によって規定される透過領域１２０Ｔとを有する。液晶層１４０の厚さは、反射領域１２０Ｒにおいてはｄｒであり、透過領域１２０Ｔではｄｔ（ｄｔ＞ｄｒ）となっている。これは、表示に寄与する光（反射領域の反射光と透過領域の透過光）の光路長をほぼ等しくするためである。ｄｔ＝２ｄｒが好ましいが、表示特性との関係で適宜設定すればよい。少なくとも、ｄｔ＞ｄｒであればよい。典型的には、ｄｔは約４〜６μｍで、ｄｒは約２〜３μｍである。すなわち、アクティブマトリクス基板７０の絵素領域内に、約２〜３μｍの段差が形成されている。なお、反射電極６９が図示したように凹凸を有している場合には、平均値をｄｒとすればよい。このように、反射透過両用型液晶表示装置１００においては、液晶層１４０の厚さの異なる領域（反射領域と透過領域）が形成されている。この例では、アクティブマトリクス基板７０の液晶側表面に、高さの異なる反射電極領域１２０Ｒと透過電極領域１２０Ｔとを有する。
【００２９】
水平配向モードにおいてノーマリブラックモードの液晶表示装置を製造する場合、セルギャップの制御が困難になる場合が多い。そこで、本実施例では、プロセスマージンを広く取るためにノーマリーホワイトを採用している。
【００３０】
図１Ａに示した液晶表装置１００のノーマリホワイトモードにおける表示原理の詳細を図２、図３および図４を参照しながら説明する。なお、位相差補償素子１７０および１８０が色補償用の位相差板（１／２波長板）１７０ａおよび１８０ｂと直線偏光を円偏光に変換するための位相差板（１／４波長板）１７０ｂおよび１８０ａを有する場合を説明する。１／２波長板１７０ａおよび１８０ｂは表示の着色を押さえるためのものであり、多少の着色を容認する場合は用いなくても良く、またさらに無彩色な表示を実現する場合には２枚用いるのが良い。これらは、液晶表示装置の用途に応じて適宜設定すればよい。液晶をツイストさせると、透過領域と反射領域とで液晶層の厚さが異なる場合、これらの領域の境界となる段差部にディスクリネーションが発生しやすい。従って、ツイスト角０°の水平配向が最も好ましい。
【００３１】
図２は、反射領域１２０Ｒで白表示を行った場合の各層での光の偏光状態を示す。
【００３２】
入射光は偏光板１７２によって直線偏光になり、色補償用の１／２波長板１７０ａに入射する。１／２波長板１７０ａでは偏光状態は変化せずに、直線偏光のの偏光軸の方向が変化する。その後で１／４波長板１７０ｂに入射した直線偏光は円偏光となり液晶層１４０に入射する。白表示状態の液晶層１４０の実効的な位相差は１／４波長に調整されているため、入射した円偏光は直線偏光になる。液晶層１４０を透過した直線偏光は反射板（反射電極６９）によって、偏光状態を保ったまま反射され、再び液晶層１４０に入射する。液晶層１４０を再び透過した直線偏光は円偏光となり、さらに１／４波長板１７０ｂによって直線偏光に変換される。その後１／２波長板１７０ａを通過した後、偏光板１７２を通して出射される。
【００３３】
図３は、反射領域１２０Ｒで黒表示を行った場合の各層での光の偏光状態を示す。
【００３４】
入射光は偏光板１７２によって直線偏光になり、色補償用の１／２波長板１７０ａに入射する。１／２波長板１７０ａでは偏光状態は変化せずに、直線偏光の偏光軸の方向が変化する。その後で１／４波長板１７０ｂに入射した直線偏光は円偏光となり液晶層１４０に入射する。黒表示のための電圧が印加されているので液晶層１４０の実効的な位相差は０に調整されているため、入射した円偏光はそのまま円偏光として通過する。液晶層１４０を透過した円偏光は反射板６９によって偏光状態を保ったまま反射され、再び液晶層１４０に入射する。円偏光は偏光状態を維持したまま液晶層１４０を再び透過し、１／４波長板１７０ｂによって直線偏光に変換される。このとき、直線偏光の偏光方向が白表示状態とに比べて９０度回転されている。１／２波長板１７０ａを通過した直線偏光は、偏光板１７２によって吸収されるため液晶表示装置から出射されない。
【００３５】
図４に、透過領域１２０Ｔで白表示および黒表示を行った場合の各層での光の偏光状態を示す。反射透過両用型液晶表示装置の設計においては、反射領域１２０Ｒに対して、偏光板１７２の配置、位相差補償素子１７０ａおよび１７０ｂのリタデーションおよび遅相軸の配置を決定し、その後で、透過領域１２０Ｔに対して、位相差補償素子１８０ａおよび１８０ｂのリタデーションおよび遅相軸の配置、偏光板１８２の配置を決定する。図４には、この設計の手順を反映させて、液晶表示装置１００の観察者側に設けられている上側偏光板１７２から光が入射した場合の各層での偏光状態を示している。なお、実際、透過領域１２０Ｔの表示に使用される光はバックライトからの光であり、下側偏光板１８２から入射するが、下側偏光板１８２から入射した光の各層での偏光状態の変化も図４に示した変化と等価である。
【００３６】
透過領域１２０Ｔの基本的な構成は、反射領域１２０Ｒの構成と同じものを反射板６９に対して鏡映対称像となるように配置されている。各層による偏光状態および偏光方向の変化は基本的に反射領域について説明したのと同じである。液晶層１４０の光学的なリタデーションは１／２波長（反射領域１２０Ｒのリタデーションの２倍）に調整されている。
【００３７】
上述のように、反射領域１２０Ｒおよび透過領域１２０Ｔを併用して表示を行う場合、最大の反射効率および透過効率を実現するためには、液晶層１４０の光学的リタデーションは、反射領域１２０Ｒで１／４波長以上、透過領域１２０Ｔで１／２波長以上、それぞれ必要で、且つ、黒表示のための電圧印加時のリタデーションと電圧無印加時のリタデーションとの差が、反射領域で１／４波長以上、透過領域で１／２波長以上である必要がある。
【００３８】
反射領域１２０Ｒと透過領域１２０Ｔで上述の光学的なリタデーションを実現するためには様々な形態が利用できる。例えば、ホモジニアス配向した液晶層、ツイスト配向した液晶層、ハイブリッド配向した液晶層等を用いることができる。
【００３９】
なお、電圧無印加時に液晶分子（少なくとも一部の液晶分子）が基板表面に対して水平方向に配向する液晶表示モードを用いると、十分な黒表示が実現できないという問題が生じることがある。この問題について以下に説明する。
【００４０】
液晶層を挟んで対向する電極間に十分高い電圧を印加すれば、液晶分子はほぼ基板表面に対して垂直（電界に対して平行）に立ち上がり、液晶層１４０の光学的リタデーションはほぼ０になる。しかし、黒表示時の印加電圧は有限（典型的には５Ｖ程度）であるため、液晶分子の配向が十分に変化できず、液晶層１４０に有限の光学的リタデーションが残る。特に配向膜の表面近傍の液晶分子は、配向膜のアンカリング効果のために、駆動のために印加される電圧程度では、垂直に配向せず、液晶層１４０のリタデーションは０とならない。その結果、電圧無印加時に液晶分子（少なくとも一部の液晶分子）が基板表面に対して水平方向に配向する液晶表示モードを用いると、十分な黒表示が実現できず、結果として十分なコントラストが得られない。
【００４１】
この問題を解決するためには、反射領域１２０Ｒについては、１／４波長板の光学的なリタデーションを調整することで、実用的な電圧範囲でも黒表示ができるようにするのが有効である。具体的には、液晶層１４０にαのリタデーションが残存している場合、１／４波長板１７０ｂの遅相軸を液晶層１４０の実効的な遅相軸の方向にほぼ一致させ、１／４波長板１７０ｂの光学的なリタデーションを（λ／４−α）とすることで、電圧印加時に液晶層１４０に残る光学的リタデーションと併せて、液晶セル全体で１／４波長条件を満足できるようにする。他の方法として、１／４波長板１７０ｂの遅相軸を液晶層１４０の実効的な遅相軸の方向と直交させ、１／４波長板１７０ｂの光学的なリタデーションを（λ／４＋α）とすることで、電圧印加時に液晶層１４０に残る光学的リタデーションをキャンセルし、１／４波長条件を満足できるようにすることができる。
【００４２】
透過領域１２０Ｔに関しては、反射領域１２０Ｒの構成を上述の様に設定した後、透過領域１２０Ｔから出射される楕円偏光の長軸もしくは短軸に１／４波長板１８０ｂの光軸（遅相軸）に合わせることにより、楕円偏光を直線偏光に変換し、この直線偏光の偏光軸に直交する方向に偏光板１８２の偏光軸を設定することによって、上記の問題を解決することができる。
【００４３】
または、透過領域１２０Ｔにおいて、βのリタデーションが残存している場合、１／４波長板１８０ａの遅相軸を液晶層１４０の実効的な遅相軸の方向にほぼ一致させ、１／４波長板１８０ａの光学的なリタデーションを（λ／４−（β−α））とすることで、電圧印加時に液晶層１４０に残る光学的リタデーションと併せて１／２波長条件を満足できるようにする。あるいは、１／４波長板１８０ａの遅相軸を液晶層１４０の実効的な遅相軸の方向と直交させ、１／４波長板１８０ａの光学的なリタデーションを（λ／４＋（β−α））とすることで、電圧印加時に液晶層１４０に残る光学的リタデーションとキャンセルし、１／２波長条件を満足できるようにしてもよい。
【００４４】
次に、本願発明の反射透過両用型液晶表示装置の表示特性について説明する。図１に示した液晶表示装置１００において、位相差補償素子１７０および１８０が１／４波長板であるときの、液晶層１４０のツイスト角θ_ｔとリタデーションとの関係を、反射領域１２０Ｒについて図５、透過領域１２０Ｔについて図６に示す。
【００４５】
反射領域については、ツイスト角θ_ｔが、０°≦θ_ｔ≦９０°の範囲において、図５のハッチングの範囲にあれば、７０％以上の利用効率が得られる。図５のハッチングの領域は、リタデーションＲｄ（Ｒｄ＝Δｎ・ｄ；液晶層の複屈折率Δｎ、それぞれの領域における液晶層の厚さｄ）が、式（１）と式（２）、式（３）と式（４）とそれぞれ表される曲線で包囲される範囲、０°≦θ_ｔ≦５４．３°の範囲において、式（５）と式（６）および式（７）と式（８）とでそれぞれ表される曲線で包囲される範囲、および５４．３°＜θ_ｔ≦９０°の範囲において、式（５）と式（８）で表される曲線で包囲される範囲である。
Ｒｄ＝−０．００４３・θ_ｔ ^２−０．０６５・θ_ｔ＋１０１１．８（１）
Ｒｄ＝−０．００８９・θ_ｔ ^２＋０．１３７９・θ_ｔ＋９１４．６８（２）
Ｒｄ＝−０．００１５・θ_ｔ ^２−０．１６１２・θ_ｔ＋７３７．２９（３）
Ｒｄ＝−０．００６４・θ_ｔ ^２−０．００４３・θ_ｔ＋６４０．６５（４）
Ｒｄ＝−０．０１７８・θ_ｔ ^２＋０．２２１９・θ_ｔ＋４５８．９２（５）
Ｒｄ＝−０．０４０５・θ_ｔ ^２＋０．４０４５・θ_ｔ＋３６４．０５（６）
Ｒｄ＝０．０３４７・θ_ｔ ^２−０．４１６１・θ_ｔ＋１８６．５３（７）
Ｒｄ＝０．００９８・θ_ｔ ^２−０．１９１２・θ_ｔ＋８９．８７３（８）
一方、透過領域１２０Ｔについては、ツイスト角θ_ｔが、０°≦θ_ｔ≦９０°の範囲において、図６のハッチングの範囲にあれば、３０％以上の利用効率が得られる。図６のハッチングの領域は、リタデーションＲｄが、式（９）と式（１０）、式（１１）と式（１２）とそれぞれ表される曲線で包囲される範囲である。
Ｒｄ＝−０．００４３・θ_ｔ ^２−０．０６５・θ_ｔ＋９９５．６６（９）
Ｒｄ＝−０．００５８・θ_ｔ ^２−０．０２０２・θ_ｔ＋６６５．８（１０）
Ｒｄ＝−０．０２４８・θ_ｔ ^２＋０．６３０７・θ_ｔ＋４３９．５８（１１）
Ｒｄ＝０．０１８１・θ_ｔ ^２−０．６６６２・θ_ｔ＋１０９．５１（１２）
上述の条件のとき、液晶層に十分電圧を印加することによりリタデーションは０となり、コントラストの高い暗表示が実現される。
【００４６】
さらに、リタデーションＲｄが、反射領域のツイスト角θ_ｔが０°≦θ_ｔ≦５４．３°の範囲において、式（７）および式（８）で表される曲線で包囲される範囲、およびリタデーションＲｄが、反射領域のツイスト角θ_ｔが５４．３°＜θ_ｔ≦９０°の範囲において、式（５）と式（８）とで表される曲線で包囲される範囲（図５中のダブルハッチング領域）とし、且つ、透過領域のツイスト角θ_ｔが０°以上９０°以下の範囲においてリタデーションＲｄを式（１１）と式（１２）とで表される曲線で包囲される範囲（図６中のダブルハッチング領域）とすることによって、電圧印加時に、反射領域および透過領域の液晶層のリタデーションは０となり、このとき黒表示となるように設定すれば、反射領域および透過領域に同じ電圧を印加すれば、同時に良好な黒表示が実現される。
【００４７】
それぞれのツイスト角θ_ｔにおけるリタデーションの反射率および透過率に対する影響をそれぞれ図７および図８に示す。先の図５および図６は、図７および図８において、それぞれ反射率が７０％以上および透過率が３０％以上の領域を示したものである。
【００４８】
さらに、上記の条件は、白表示を実現するための条件として、リタデーションが０に最も近い白領域、すなわち、図７、図８における低リタデーション側から第１ピークを選択することに対応しており、階調表示も良好に行える。すなわち、白表示から黒表示へ変化する中間状態において、明るさ（反射率および透過率）が単調減少するので、良好な階調表示が得られる。もし、白表示を実現する条件として、図７および図８における、低リタデーション側からの第２ピークを用いて白表示を行えば、中間調表示領域に第１ピークが存在して、良好な階調表示とすることができない。
【００４９】
同様にして、反射率が９０％以上となる範囲（図９）、透過率が５０％以上の領域（図１０）、透過率が７０％以上の領域（図１１）透過率が９０％以上の領域（図１２）が得られる。それぞれの領域を規定する曲線の式を以下に示す。
反射率９０％以上
Ｒｄ＝−０．００４３・θ_ｔ ^２−０．０６５・θ_ｔ＋９８７．５７（１３）
Ｒｄ＝−０．００７４・θ_ｔ ^２＋０．０４９・θ_ｔ＋９３８．５９（１４）
Ｒｄ＝−０．００４３・θ_ｔ ^２＋０．０２８２・θ_ｔ＋７１２．３６（１５）
Ｒｄ＝−０．００６１・θ_ｔ ^２＋０．０５６４・θ_ｔ＋６６２．９４（１６）
Ｒｄ＝−０．０１９２・θ_ｔ ^２＋０．１７２１・θ_ｔ＋４３５．６８（１７）
Ｒｄ＝−０．０３４７・θ_ｔ ^２＋０．５０８５・θ_ｔ＋３８７．１６（１８）
Ｒｄ＝０．０２１７・θ_ｔ ^２−０．１５８９・θ_ｔ＋１６２．０９（１９）
式（１８）と式（１９）の交点はツイスト角θ_ｔ６９．５°
Ｒｄ＝０．０１６７・θ_ｔ ^２−０．４８８４・θ_ｔ＋１１５．５６（２０）
透過率５０％以上
Ｒｄ＝−０．００４６・θ_ｔ ^２−０．０９１３・θ_ｔ＋９５９．６９（２１）
Ｒｄ＝−０．００３７・θ_ｔ ^２−０．０７６・θ_ｔ＋６９２．６５（２２）
Ｒｄ＝−０．０３０８・θ_ｔ ^２＋０．５９７１・θ_ｔ＋４０７．２（２３）
Ｒｄ＝０．０２４６・θ_ｔ ^２−０．７０７９・θ_ｔ＋１４８．６５（２４）
式（２３）と式（２４）の交点はツイスト角θ_ｔ８１．０°
透過率７０％以上
Ｒｄ＝−０．００７４・θ_ｔ ^２＋０．０４９・θ_ｔ＋９２２．４１（２５）
Ｒｄ＝−０．００４３・θ_ｔ ^２＋０．０２８２・θ_ｔ＋７２８．５４（２６）
Ｒｄ＝−０．０４１９・θ_ｔ ^２＋０．５４６１・θ_ｔ＋３７１．２７（２７）
Ｒｄ＝０．０３４７・θ_ｔ ^２−０．５０８５・θ_ｔ＋１７９．１４（２８）
式（２７）と式（２８）の交点はツイスト角θ_ｔ５７．５°
透過率９０％以上
Ｒｄ＝−０．０１２７・θ_ｔ ^２＋０．１９３１・θ_ｔ＋８７７．６９（２９）
Ｒｄ＝０．００４８・θ_ｔ ^２−０．４５２７・θ_ｔ＋７７９．３４（３０）
Ｒｄ＝−０．０８０９・θ_ｔ ^２＋０．８０９・θ_ｔ＋３２３．６（３１）
Ｒｄ＝０．０４０４・θ_ｔ ^２−０．４０４５・θ_ｔ＋２２６．５２（３２）
式（３１）と式（３２）の交点はツイスト角θ_ｔ３４．０°
さらに、図９、図１０、図１１および図１２のダブルハッチング領域に液晶層のリタデーションおよびツイスト角を設定することで、白表示から黒表示へ変化する中間状態において明るさが単調減少するので、良好な階調表示が得られる。
【００５０】
上記の説明ではツイスト配向について説明したが、ハイブリッド配向の場合も同様に考えることができる。ハイブリッド配向は片側基板を水平配向、もう一方を垂直配向にするが、このときの最適リタデーションは図５および図６においてツイスト角θ_ｔが０°の場合について考えれば良く、そのときの特性はツイスト角θ_ｔが０°の水平配向と同様の特性になる。
【００５１】
液晶層１４０の液晶材料として、屈折率異方性△ｎ＝０．０６を有し、正の誘電率異方性を示す液晶材料を用いた。
【００５２】
図１に示した液晶表示装置１００において、透過領域１２０Ｔの液晶層１４０のセルギャップｄｔ＝約５．５０μｍ、反射領域１２０Ｒの液晶層１４０のセルギャップｄｒ＝約３．０μｍ、ツイスト角θ_ｔ＝０°、液晶層１４０の屈折率異方性△ｎ＝０．０６を有する正の誘電率異方性を示す液晶材料を用いたときの、垂直入射垂直受光時の電圧対透過率特性、電圧対反射率特性を図１３に示す。
【００５３】
図１３は、空気に対しての垂直入射垂直受光時の分光透過を１としている。この場合、反射領域１２０Ｒにおいて印加電圧が５Ｖのとき、液晶層１４０にα＝３０ｎｍ程度の残留リタデーションがあるため、位相差補償素子１７０ｂのリタデーションを１１０ｎｍとし、位相差補償素子１７０ｂの遅相軸を液晶層１４０の遅相軸と一致させ、この遅相軸に対して４５°回転させた方向に直線偏光が入射するように位相差補償素子１７０ａの遅相軸と偏光板１７２の偏光軸を設定した。位相差補償素子１８０ａのリタデーションは１４０ｎｍとし、光軸の方向は液晶層１４０から出射された楕円偏光の長軸に一致させ、変換された直線偏光を位相差補償素子１８０ｂにより偏光方向を変換し、この直線偏光の偏光軸に直交した方向に偏光板１８２の偏光軸を設定した。
【００５４】
図１４に、得られた反射透過両用型液晶表示装置の白表示および黒表示状態における分光輝度（反射率と透過率）特性を示す。液晶層１４０に電圧を印加していない白表示と、電圧５Ｖ印加時の黒表示において、４００ｎｍから７００ｎｍの波長域全域で十分なコントラスト比が得られていることが、図１４からわかる。このことからも、この表示方式は光の利用効率が高く反射透過両用型液晶表示装置に適していることがわかる。
【００５５】
従って、周囲の光が暗い場合はバックライトを用いて透明領域１２０Ｔを透過する光を利用して表示する透過型液晶表示装置として使用し、周囲光が明るい場合には、反射領域１２０Ｒでの反射光を利用して表示する反射型液晶表示装置として表示が可能になる。また、透過モードで表示を行う場合にも、反射領域は反射モードの表示を行うので、従来の透過型液晶表示装置で見られる、周囲光が画面で反射して表示が見難くなる現象が抑制される。
【００５６】
従って、１枚のパネルで周囲の光が暗い場合ではバックライトを用い、周囲光が明るい場合はバックライトを使わずに周囲光を利用する、あるいは、バックライトと反射光の両方を使用しても表示が可能な反射透過両用型液晶表示装置として用いることが可能になる。
【００５７】
よって、従来の透過型液晶表示装置よりも周囲光が明るい場合にはバックライトを使わない分低消費電力であり、周囲の光が暗い場合ではバックライトを用いることで、従来の反射型液晶表示装置のように周囲の光が暗いと十分な表示が得られないという欠点を克服できる。
【００５８】
また、白表示と黒表示の場合について説明したが、反射領域や透過領域の対応箇所に各色のカラーフィルターを設けてカラー表示を行うこともできる。
【００５９】
反射部および透過部で反射率および透過率の印加電圧依存性（いわゆるγ特性）がほぼ同等であるのが望ましい。
【００６０】
次に、反射領域１２０Ｒの液晶層１４０のセルギャップｄｒ＝約３．０μｍ、液晶層のツイスト角θ_ｔ＝０°、液晶層１４０の屈折率異方性△ｎ＝０．０６を有する正の誘電率異方性を示す液晶材料を用いた場合の、反射領域１２０Ｒにおける１／４波長板１７０ｂ（図４）のリタデーションＲｄ対反射率の関係を図１５（ａ）および（ｂ）に示す。図１５（ａ）は１／４波長板１７０ｂの遅相軸を液晶層１４０の遅相軸に対して平行な方向に設けた場合、および、図１５（ｂ）は１／４波長板１７０ｂの遅相軸を液晶層１４０の遅相軸に対して垂直な方向に設けた場合の結果を示す。なお、本検討は、光に対する視感度が最大となる５５０ｎｍの波長について行われている。
【００６１】
ノーマリーホワイトの液晶表示装置において、電圧ＯＦＦ時での明るさは理想的な反射率に対して約５０％以上であることが好ましいとされている。従って、図１５（ａ）および（ｂ）から、反射側位相差板１７０ｂのリタデーションＲｄは３０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の範囲であることが好ましいことがわかる。この理由を下記に説明する。
【００６２】
位相差板の遅相軸および液晶相の遅相軸の設定角度Ｖと、位相差板のリタデーションと明るさ（反射率）の関係は、図１７のようになる。理想的な反射率をピーク（１００％）とした、上に凸型の曲線がそれぞれの設定温度（０≦Ｖ≦９０）について存在し、曲線は、設定温度Ｖが大きくなれば、右方向（Ｘ軸の正の方向）にシフトする。最適なリタデーションの下限値は平行に配置した状態（Ｖ＝０）で決まり、最適なリタデーションの上限値は垂直に配置した状態（Ｖ＝９０）で決まる。それぞれについて、詳細な検討を行った結果が図１５（ａ）および図１５（ｂ）である。
【００６３】
すなわち、位相差板のリタデーションが３０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の範囲であれば、位相差板の遅相軸と液晶相の遅相軸とを適当な角度に設定することにより、良好な白表示と黒表示とが可能になる。言い換えると、位相差板のリタデーションが３０ｎｍ以下、あるいは、位相差板のリタデーションが２５０ｎｍ以上であれば、設定角度Ｖをどのように調整しても良好な白表示はできない。
【００６４】
続いて、コントラスト比を向上させるために、さらに位相差板を設けることが好ましいので、１／２波長板１７０ａを上述の位相差板１７０ｂと偏光板１７２との間に挿入する。反射領域１２０Ｒにおける１／２波長板１７０ａのリタデーションＲｄ対コントラスト比の関係を図１５（ｃ）に示す。コントラスト比は、波長が３８０ｎｍから７８０ｎｍについて検討を行い、その結果に視感度曲線をかけあわせることによって視感度を考慮し、図１５（ｃ）の結果を得た。
【００６５】
視認性を考慮すれば、反射型液晶表示装置としては、コントラスト比は約１０以上であることが好ましいとされる。従って、図１５（ｃ）から、１／２波長板１７０ａのリタデーションＲｄは、２２０ｎｍ以上３３０ｎｍ以下の範囲であることが好ましいことがわかる。
【００６６】
反射領域１２０Ｒの設定を上述のように優先的に行ったうえで、さらに、透過領域１２０Ｔにおける液晶表示装置の表示品位について検討を行った。透過領域１２０Ｔの液晶層１４０のセルギャップｄｔ＝約５．５μｍ、液晶層のツイスト角θ_ｔ＝０°、液晶層１４０の屈折率異方性△ｎ＝０．０６を有する正の誘電率異方性を示す液晶材料を用いた場合の、１／４波長板１８０ａ（図４）のリタデーションＲｄ対コントラスト比の関係を図１６（ａ）に示す。なお、図１６（ａ）に示されるコントラスト比の算出結果は、上述の反射領域１２０Ｒと同様に行った。
【００６７】
視認性を考慮すれば、透過型液晶表示装置としては、コントラスト比が約１００以上であることが好ましい。従って、図１６（ａ）から、位相差板１８０ａのリタデーションは１２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下に設定することが好ましいことが分かる。
【００６８】
透過領域１２０Ｔにおいてさらにコントラスト比を向上させるためには、１／４波長板１８０ａと偏光板１８２との間（１／４波長板１８０ａから出射された直線偏光の偏光軸と偏光板１８２の偏光軸との間）に、色補償用の１／２波長板１８０ｂを挿入することが好ましい。１／２波長板１８０ｂのリタデーションＲｄ対コントラスト比の関係を示す図１６（ｂ）から、コントラスト比が約１００以上を満たすように、１／２波長板１８０ｂのリタデーションを２４０ｎｍ以上３１０ｎｍ以下に設定することが好ましいことが分かる。
【００６９】
上述したように、液晶分子のツイスト角が０°であれば、絵素領域内にセル厚の段差があってもディスクリネーションが発生しにくく、液晶分子の配向が良好になる。このように、液晶層のツイスト角が０°の状態で、上記のような液晶層のリタデーションおよび、４種類の位相差板１７０ａ、１７０ｂ、１８０ａおよび１８０ｂのリタデーションを設定すれば、液晶表示装置の反射モードと透過モードとのそれぞれの表示特性を最も向上させることができる。なお、上記４種類の位相差板の表示特性に寄与する優先順位は、位相差板１７０ｂ、１７０ａ、１８０ａ、１８０ｂであり、位相差板１７０ｂが最も重要な構成要件である。上記優先順位から分かるように、反射モードにおける表示の改善を優先的に行うことが好ましい。
【００７０】
【発明の効果】
上述したように、反射モードおよび透過モードを備えた表示装置においてコントラストの高い表示が可能となる。また、反射モードおよび透過モードを併用した場合に同時に黒表示が可能となり両方併用してもコントラストの高い表示が可能となる。また、印加電圧を変化させ、液晶層のリタデーション値を変化させることで、白表示から黒表示への階調表示が可能となる。また、反射領域と透過領域の液晶層のリタデーションを独立に最適化できるので、透過領域と反射領域の液晶層を同時に同電圧で駆動することが可能となる。このため、周囲の環境に影響されることなく同一の駆動で、反射モードの表示と透過モードの表示を行うことができる。従って、周囲の環境に応じて、表示モードを切り替える必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】実施形態１における反射透過両用型液晶表示装置１００の部分断面図である。
【図１Ｂ】液晶表示装置１００のアクティブマトリクス基板７０の上面図である。
【図２】反射領域１２０Ｒで白表示を行った場合の各層での光の偏光状態を示す図である。
【図３】反射領域１２０Ｒで黒表示を行った場合の各層での光の偏光状態を示す図である。
【図４】透過領域１２０Ｔで表示を行った場合の各層での光の偏光状態を示す図である。
【図５】反射領域１２０Ｒについて、液晶層１４０のツイスト角とリタデーションとの関係（反射率７０％以上の領域）を示す図である。
【図６】透過領域１２０Ｔについて、液晶層１４０のツイスト角とリタデーションとの関係（透過率３０％以上の領域）を示す図である。
【図７】種々のツイスト角におけるリタデーションの反射率に対する影響を示すグラフである。
【図８】種々のツイスト角におけるリタデーションの透過率に対する影響を示すグラフである。
【図９】反射領域１２０Ｒについて、液晶層１４０のツイスト角とリタデーションとの関係（反射率が９０％以上となる領域）を示す図である。
【図１０】透過領域１２０Ｔについて、液晶層１４０のツイスト角とリタデーションとの関係（透過率が５０％以上の領域）を示す図である。
【図１１】透過領域１２０Ｔについて、液晶層１４０のツイスト角とリタデーションとの関係（透過率が７０％以上の領域）を示す図である。
【図１２】透過領域１２０Ｔについて、液晶層１４０のツイスト角とリタデーションとの関係（透過率が９０％以上の領域）を示す図である。
【図１３】実施形態の液晶表示装置の垂直入射垂直受光時の電圧対透過率特性および電圧対反射率特性を示す図である。
【図１４】実施形態の液晶表示装置の白表示および黒表示状態における分光輝度（反射率と透過率）特性を示すグラフである。
【図１５】（ａ）および（ｂ）は、反射領域における１／４波長板１７０ｂのリタデーションＲｄ対反射率の結果を示すグラフであり、（ｃ）は、反射領域における１／２波長板１７０ａのリタデーションＲｄ対コントラスト比の関係を示すグラフである。
【図１６】（ａ）は、透過領域における１／４波長板１８０ａのリタデーションＲｄ対コントラスト比の関係を示し、（ｂ）は、透過領域における１／２波長板１８０ｂのリタデーションＲｄ対コントラスト比の関係を示すグラフである。
【図１７】位相差板の遅相軸および液晶相の遅相軸の設定角度Ｖと、位相差板のリタデーションと明るさ（反射率）の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
６８透明電極
６９反射電極
７０アクティブマトリクス基板
１００液晶表示装置
１２０Ｒ反射領域
１２０Ｔ透過領域
１４０液晶層
１６０対向基板（カラーフィルタ基板）
１７０、１８０位相差補償素子
１７２、１８２偏光板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid crystal display device, and more particularly to a transflective liquid crystal display device capable of performing display in a reflection mode and display in a transmission mode.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, liquid crystal display devices include a reflective display device using ambient light, a transmissive display device using backlight light, and a transflective display device including a half mirror and a backlight.
[0003]
The reflective liquid crystal display device has a drawback that the display is difficult to see in a dimly lit environment, and the transmissive liquid crystal display device has a drawback that the display is faint and difficult to see under strong ambient light, for example, under sunlight such as outdoors. Was. Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-333598 discloses a transflective liquid crystal display device as a liquid crystal display device using both of these display modes so that a good display can be performed in any environment.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-mentioned conventional transflective liquid crystal display has the following problems.
A conventional transflective liquid crystal display device uses a half mirror instead of a reflector in a reflective liquid crystal display device, provides a minute transmission region (for example, a minute hole in a metal thin film) in the reflection region, and reflects reflected light. In addition, display is performed using transmitted light. Since the reflected light and the transmitted light used for display pass through the same liquid crystal layer, the optical path of the reflected light is twice as large as the optical path of the transmitted light, and the retardation of the liquid crystal layer for the reflected light and the transmitted light is significantly different, so that a good display is achieved. Could not get. In addition, since the display in the reflection mode and the display in the transmission mode are superimposed, the display in the reflection mode and the display in the transmission mode cannot be individually optimized, so that there is a problem that color display is difficult or the display becomes blurred. Was.
[0005]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a liquid crystal display device which is excellent in mass productivity and can perform a good display regardless of the brightness of ambient light. It is in.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The liquid crystal display device of the present invention has first and second substrates and a liquid crystal layer sandwiched between the first and second substrates, and includes a pair of electrodes that apply a voltage to the liquid crystal layer. A liquid crystal display device having a plurality of defined pixel regions, wherein each of the plurality of pixel regions has a reflection region and a transmission region, and the liquid crystal layer has a positive dielectric anisotropy. A first polarizing element provided on a side of the first substrate opposite to the liquid crystal layer, a second polarizing element provided on the side of the second substrate opposite to the liquid crystal layer, A first phase difference compensating element provided between the first polarizing element and the liquid crystal layer, and a second phase difference compensating element provided between the second polarizing element and the liquid crystal layer; twist angle theta _t of the liquid crystal layer is 0 ° or more and 90 ° or less, retardation Rd and twist angle of the visible light region of the liquid crystal layer of the reflective region theta _t In the range surrounded by the curves represented by the equations (1) and (2), and the equations (3) and (4), and in the range of 0 ° ≦ θ _t ≦ 54.3 °, the equation ( 5) in the range surrounded by the curves represented by the equations (6) and (7) and the equation (8), and in the range of 54.3 ° <θ _t ≦ 90 °, the equations (5) and (5) A range surrounded by a curve represented by the equation (8), and
Retardation Rd and twist angle theta _t in the visible region of the liquid crystal layer of the transparent over-region has the formula (9) and (10), is surrounded by the curve represented respectively by formula (11) and (12) Where each of the above equations is
Rd = −0.0043 · θ _t ² −0.065 · θ _t +1011.8 (1)
Rd = −0.0089 · θ _t ² + 0.1379 · θ _t +914.68 (2)
Rd = −0.0015 · θ _t ² −0.1612 · θ _t +737.29 (3)
Rd = −0.0064 · θ _t ² −0.0043 · θ _t +640.65 (4)
Rd = −0.0178 · θ _t ² + 0.2219 · θ _t +458.92 (5)
Rd = −0.0405 · θ _t ² + 0.4045 · θ _t +364.05 (6)
Rd = 0.0347 · θ _t ² −0.4161 · θ _t +186.53 (7)
Rd = 0.0098 · θ _t ² −0.1912 · θ _t +89.873 (8)
Rd = −0.0043 · θ _t ² −0.065 · θ _t +995.66 (9)
Rd = −0.0058 · θ _t ² −0.0202 · θ _t +665.8 (10)
Rd = −0.0248 · θ _t ² + 0.6307 · θ _t +439.58 (11)
Rd = 0.0181 · θ _t ² -0.6662 · θ _t +109.51 (12)
Thus, the above object is achieved.
[0007]
Range wherein the retardation Rd is, in a range twist angle theta _t is 0 ° ≦ θ _t ≦ 54.3 ° in the reflection region, surrounded by the curve represented by the above formula (7) and the equation (8), and the retardation Rd is, in a range twist angle theta _t is 54.3 ° <θ _t ≦ 90 ° in the reflection region, a range surrounded by a curve represented by the formula (5) and the equation (8), and, in the twist angle theta _t in the range of 0 ° to 90 ° of the transmissive region, the retardation in the range surrounded by a curve represented by de above equation (11) above equation (12) preferable.
[0008]
It is preferable that the reflection region and the transmission region have a liquid crystal layer made of the same liquid crystal material, and the thickness of the liquid crystal layer in the reflection region is smaller than the thickness of the liquid crystal layer in the transmission region.
[0009]
The first phase difference compensating element has a first phase difference plate, the twist angle theta _t is 0 ° in the liquid crystal layer, the retardation Rd of the reflection region is 90 nm ≦ Rd ≦ 187 nm, the transmission region May be in the range of 110 nm ≦ Rd ≦ 440 nm, and the retardation Rd of the first retardation plate may be in the range of 30 nm ≦ Rd ≦ 250 nm.
[0010]
The first phase difference compensating element may further include a second phase difference plate, and a retardation Rd of the second phase difference plate may be in a range of 220 nm ≦ Rd ≦ 330 nm.
[0011]
The second phase difference compensating element may include a third phase difference plate, and a retardation Rd of the third phase difference plate may be in a range of 120 nm ≦ Rd ≦ 150 nm.
[0012]
The second phase difference compensating element may further include a fourth phase difference plate, and a retardation Rd of the fourth phase difference plate may be in a range of 240 nm ≦ Rd ≦ 310 nm.
[0013]
Hereinafter, the operation of the present invention will be described. First, definitions of terms used in the specification of the present application will be described. In a transflective liquid crystal display device, a region where display is performed using transmitted light is called a transmission region, and a region where display is performed using reflected light is called a reflection region. The transmission region and the reflection region each include a transmission electrode region and a reflection electrode region formed on a substrate, and a liquid crystal layer sandwiched between a pair of substrates. The transmission electrode region and the reflection electrode region on the substrate define the two-dimensional spread of the reflection region and the transmission region, respectively. The transmissive electrode area is typically defined by a transparent electrode. The reflective electrode area can be defined by a reflective electrode or a combination of a transparent electrode and a reflective electrode.
[0014]
The liquid crystal display device of the present invention has a reflection area and a transmission area for each picture element area. Therefore, the retardation of the liquid crystal layer can be independently optimized for the reflection region and the transmission region. Specifically, the retardation of the liquid crystal layer in the reflection region is calculated by using the equations (1) and (2), the equations (3) and (4), the equations (5) and (6), the equations (7) and ( 8), the retardation of the liquid crystal layer in the transmissive area is set in the range (including the hatched area (including the double hatched area) in FIG. 5) enclosed by the curves represented by the equations (9), (10), and (10). By setting the area (hatched area (including the double hatched area in FIG. 6) in FIG. 6) surrounded by the equation (11) and the equation (12), the brightness (reflectance) of the reflective area is 70% or more. The brightness (transmittance) of the transmission region can be 30% or more.
[0015]
It is preferable that these retardation conditions are satisfied with respect to a center wavelength of visible light (high visibility) of 550 nm. Further, it is more preferable to satisfy the entire visible light wavelength range (400 nm or more and 800 nm or less).
[0016]
Further, the twist angle theta _t is 0 since ° in the range of to 90 °, in one rubbing treatment, the twist angle of the both regions of the thickness of the liquid crystal layer is different reflective region and the transmissive region in the same. In order to make the twist angle different between the reflection region and the transmission region, rubbing must be separately performed on the two regions, which causes a problem that the manufacturing process becomes complicated.
[0017]
Moreover, the range retardation Rd is, in a range twist angle theta _t is 0 ° ≦ θ _t ≦ 54.3 ° in the reflection region, surrounded by the curve represented by the above formula (7) and the formula (8) , and the retardation Rd is, in a range twist angle theta _t is 54.3 ° <θ _t ≦ 90 ° in the reflection region is surrounded retardation in curve expressed out with formula (5) and (8) range and (double hatched area in FIG. 5), and, surrounded by the curve twist angle theta _t of the transmissive region is represented exits the retardation equations (11) equations (12) in the range of 0 ° to 90 ° 6 (double-hatched area in FIG. 6), the retardation of the liquid crystal layer in the reflective area and the transmissive area becomes zero when voltage is applied. By applying the same voltage to the fine transmissive region is realized at the same time good black display. Further, the above condition corresponds to selecting a white region whose retardation is closest to 0 (the first peak from the low retardation side in FIGS. 7 and 8) as a condition for realizing a white display. Display can be performed well. That is, in an intermediate state where white display is changed to black display, brightness (reflectance and transmittance) monotonously decreases, so that good gradation display can be obtained. If a white area is set for the second peak from the low retardation side in FIGS. 7 and 8 as a condition for realizing a white display, the first peak exists in the halftone display area, and a good level is displayed. Key display cannot be performed.
[0018]
When the liquid crystal layers in the transmissive region and the reflective region are made of the same liquid crystal material, the structure and manufacturing method are simplified as compared with the case where the type of the liquid crystal material is changed. In order to set different retardations for the reflection region and the transmission region, it is effective to change the thickness of the liquid crystal layer in the reflection region and the transmission region. Further, it is effective to make the thickness of the liquid crystal layer in the transmissive area larger than the thickness of the liquid crystal layer in the reflective area in order to make the optical path lengths for light contributing to display in the reflective area and the transmissive area coincide. Most preferably, the thickness of the liquid crystal layer in the transmission region is twice the thickness of the liquid crystal layer in the reflection region.
[0019]
The first phase compensation element has a first phase difference plate, the twist angle theta _t is 0 ° in the liquid crystal layer, the retardation Rd of the reflection region is 90 nm ≦ Rd ≦ 187 nm, the retardation Rd of the transmission region is 110nm If ≦ Rd ≦ 440 nm and the retardation Rd of the first retardation plate is in the range of 30 nm ≦ Rd ≦ 250 nm, the display of the reflection area can be realized in a normally white mode having a bright and high contrast ratio. it can.
[0020]
If the first retardation compensating element has a second retardation plate in addition to the first retardation plate, and the retardation Rd of the second retardation plate is in the range of 220 nm ≦ Rd ≦ 330 nm, the reflection region Are alleviated, so that a higher-contrast display can be performed.
[0021]
If the second retardation compensating element has a third retardation plate and the retardation Rd of the third retardation plate is in the range of 120 nm ≦ Rd ≦ 150 nm, optimization in darkness is performed even in the transmission region. Therefore, a display with higher contrast can be performed.
[0022]
The second phase difference compensating element has a fourth phase difference plate in addition to the third phase difference plate, and if the retardation Rd of the fourth phase difference plate is in the range of 240 nm ≦ Rd ≦ 310 nm, the transmission Since the wavelength characteristics of the region are relaxed, a display with higher contrast can be performed.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1A is a partial cross-sectional view of the transflective liquid crystal display device 100 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1B shows a top view of the active matrix substrate 70 of the liquid crystal display device 100. FIG. 1A corresponds to a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1B.
[0024]
As shown in FIG. 1A, the liquid crystal display device 100 includes an active matrix substrate 70, a counter substrate (color filter substrate) 160, and a liquid crystal layer 140 sandwiched therebetween. On the surfaces of the active matrix substrate 70 and the counter substrate 160 on the side opposite to the liquid crystal layer 140, retardation compensating elements (retardation plates, retardation films, laminates thereof, etc.) 170 and 180 are provided, respectively. Further, polarizing elements (such as polarizing plates and polarizing films) 172 and 182 are provided outside the phase difference compensating elements 170 and 180 so as to sandwich them.
[0025]
As shown in FIGS. 1A and 1B, a reflective / transmissive active matrix substrate 70 includes a plurality of gate bus lines 72 as scanning lines and a source bus as signal lines on a glass substrate 61 which is an insulating substrate. Lines 74 are provided to intersect alternately. In a rectangular region surrounded by each gate bus line 72 and each source bus line 74, a reflection electrode 69 made of a material having high light reflection efficiency (for example, Al, Ag, Ta) and a light A transparent electrode 68 made of a material having a high transmission efficiency (for example, ITO) is disposed, and the reflective electrode 69 and the transparent electrode 68 form a pixel electrode. Under the reflective electrode 69, a high convex portion 64a, a low convex portion 64b, and a polymer resin film 65 formed thereon are formed, and the surface of the reflective electrode 69 is continuous. It has a waveform. The height of the projection may be one type.
[0026]
The reflection electrode 69 is connected to the drain electrode 76 of the TFT 71 through a contact hole 79. The TFT 71 is formed of a semiconductor layer 77 deposited on a gate insulating film 61a covering the gate electrode 73. The gate electrode 73 and the source electrode 75 of the TFT 71 are branched from the gate bus line 72 and the source bus line 74, respectively.
[0027]
The opposite substrate (color filter substrate) 160 has a color filter layer 164 and a transparent electrode 166 made of ITO or the like formed on a glass substrate 162 which is an insulating substrate. A horizontal alignment film (not shown) is formed on the liquid crystal layer 140 side surfaces of both substrates 70 and 160. After the application of the alignment film, an alignment treatment is performed by rubbing or the like so that a desired twist angle is obtained. For the liquid crystal layer 140, a nematic liquid crystal material having positive dielectric anisotropy is used. The liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 140 have a tilt angle of about 0.1 ° to 5 ° with respect to the substrate surface by an alignment treatment such as rubbing of the horizontal alignment film. The liquid crystal molecules are oriented parallel to the substrate surface when no voltage is applied, and tilt in the direction normal to the substrate surface when voltage is applied.
[0028]
The picture element serving as the minimum display unit of the liquid crystal display device 100 has a reflection region 120R defined by the reflection electrode 69 and a transmission region 120T defined by the transparent electrode 68. The thickness of the liquid crystal layer 140 is dr in the reflection region 120R, and dt (dt> dr) in the transmission region 120T. This is to make the optical path lengths of light contributing to display (reflected light in the reflection region and transmitted light in the transmission region) substantially equal. Although dt = 2dr is preferable, it may be appropriately set in relation to the display characteristics. At least, dt> dr is sufficient. Typically, dt is about 4-6 μm and dr is about 2-3 μm. That is, a step of about 2 to 3 μm is formed in the picture element region of the active matrix substrate 70. If the reflective electrode 69 has irregularities as shown, the average value may be set to dr. As described above, in the transflective liquid crystal display device 100, regions where the thickness of the liquid crystal layer 140 is different (reflection region and transmission region) are formed. In this example, a reflective electrode region 120R and a transmissive electrode region 120T having different heights are provided on the liquid crystal side surface of the active matrix substrate 70.
[0029]
When manufacturing a liquid crystal display device of a normally black mode in the horizontal alignment mode, it is often difficult to control the cell gap. Therefore, in this embodiment, normally white is adopted in order to increase the process margin.
[0030]
Details of the display principle in the normally white mode of the liquid crystal display device 100 shown in FIG. 1A will be described with reference to FIGS. 2, 3, and 4. The phase difference compensating elements 170 and 180 are provided with phase compensating plates (板 wavelength plates) 170 a and 180 b for color compensation, and phase compensating plates (１／ wavelength plate) 170 b for converting linearly polarized light into circularly polarized light. 180a will be described. The half-wave plates 170a and 180b are provided to suppress the coloring of the display, and need not be used when some coloring is tolerated, and two plates are used when an achromatic display is realized. Is good. These may be set as appropriate according to the use of the liquid crystal display device. When the liquid crystal is twisted, if the thickness of the liquid crystal layer is different between the transmissive region and the reflective region, disclination is likely to occur at a step portion which is a boundary between these regions. Therefore, horizontal orientation with a twist angle of 0 ° is most preferable.
[0031]
FIG. 2 shows the polarization state of light in each layer when white display is performed in the reflection region 120R.
[0032]
The incident light is converted into linearly polarized light by the polarizing plate 172, and is incident on the half-wave plate 170a for color compensation. In the half-wave plate 170a, the direction of the polarization axis of the linearly polarized light changes without changing the polarization state. Thereafter, the linearly polarized light that has entered the quarter-wave plate 170b becomes circularly polarized light and enters the liquid crystal layer 140. Since the effective phase difference of the liquid crystal layer 140 in the white display state is adjusted to 波長 wavelength, the incident circularly polarized light becomes linearly polarized light. The linearly polarized light transmitted through the liquid crystal layer 140 is reflected by the reflection plate (reflection electrode 69) while maintaining the polarization state, and enters the liquid crystal layer 140 again. The linearly polarized light transmitted through the liquid crystal layer 140 again becomes circularly polarized light, and is further converted into linearly polarized light by the quarter wavelength plate 170b. After passing through the half-wave plate 170a, the light is emitted through the polarizing plate 172.
[0033]
FIG. 3 shows the polarization state of light in each layer when black display is performed in the reflection region 120R.
[0034]
The incident light is converted into linearly polarized light by the polarizing plate 172, and is incident on the half-wave plate 170a for color compensation. In the half-wave plate 170a, the direction of the polarization axis of the linearly polarized light changes without changing the polarization state. Thereafter, the linearly polarized light that has entered the quarter-wave plate 170b becomes circularly polarized light and enters the liquid crystal layer 140. Since a voltage for black display is applied, the effective phase difference of the liquid crystal layer 140 is adjusted to 0, so that the incident circularly polarized light passes as it is. The circularly polarized light transmitted through the liquid crystal layer 140 is reflected by the reflection plate 69 while maintaining the polarization state, and is incident on the liquid crystal layer 140 again. The circularly polarized light passes through the liquid crystal layer 140 again while maintaining the polarization state, and is converted into linearly polarized light by the ４ wavelength plate 170b. At this time, the polarization direction of the linearly polarized light is rotated by 90 degrees as compared with the white display state. The linearly polarized light that has passed through the half-wave plate 170a is not emitted from the liquid crystal display device because it is absorbed by the polarizing plate 172.
[0035]
FIG. 4 shows the polarization state of light in each layer when white display and black display are performed in the transmission region 120T. In the design of the transflective liquid crystal display device, the arrangement of the polarizing plate 172, the retardation of the phase difference compensating elements 170a and 170b, and the arrangement of the slow axis are determined with respect to the reflection area 120R. The arrangement of the retardation and the slow axis of the phase difference compensating elements 180a and 180b and the arrangement of the polarizing plate 182 are determined. FIG. 4 shows the polarization state of each layer when light is incident from the upper polarizing plate 172 provided on the viewer side of the liquid crystal display device 100, reflecting this design procedure. Note that the light used for displaying the transmission region 120T is actually light from the backlight, which is incident from the lower polarizing plate 182, but changes in the polarization state of the light incident from the lower polarizing plate 182 in each layer. Is also equivalent to the change shown in FIG.
[0036]
The basic configuration of the transmission region 120T is the same as the configuration of the reflection region 120R, and is arranged so as to be a mirror-symmetric image with respect to the reflection plate 69. The change in the polarization state and the polarization direction by each layer is basically the same as that described for the reflection region. The optical retardation of the liquid crystal layer 140 is adjusted to 波長 wavelength (twice the retardation of the reflection region 120R).
[0037]
As described above, when display is performed using both the reflection region 120R and the transmission region 120T, in order to achieve the maximum reflection efficiency and transmission efficiency, the optical retardation of the liquid crystal layer 140 is reduced by 1 / at the reflection region 120R. 4 wavelengths or more, 透過 wavelength or more in the transmission region 120T, each is necessary, and the difference between the retardation when applying a voltage for black display and the retardation when no voltage is applied is 波長 wavelength or more in the reflection region. , In the transmission region.
[0038]
Various forms can be used to realize the above-described optical retardation in the reflection region 120R and the transmission region 120T. For example, a liquid crystal layer having a homogeneous alignment, a liquid crystal layer having a twist alignment, a liquid crystal layer having a hybrid alignment, or the like can be used.
[0039]
Note that when a liquid crystal display mode in which liquid crystal molecules (at least a part of the liquid crystal molecules) are aligned in a horizontal direction with respect to the substrate surface when no voltage is applied, a problem that sufficient black display cannot be realized may occur. This problem will be described below.
[0040]
When a sufficiently high voltage is applied between the electrodes facing each other with the liquid crystal layer interposed therebetween, the liquid crystal molecules rise almost perpendicularly to the substrate surface (parallel to the electric field), and the optical retardation of the liquid crystal layer 140 becomes almost zero. . However, since the applied voltage at the time of black display is finite (typically about 5 V), the orientation of liquid crystal molecules cannot be changed sufficiently, and finite optical retardation remains in the liquid crystal layer 140. In particular, liquid crystal molecules near the surface of the alignment film are not vertically aligned at a voltage applied for driving because of the anchoring effect of the alignment film, and the retardation of the liquid crystal layer 140 is not zero. As a result, when a liquid crystal display mode in which liquid crystal molecules (at least a part of the liquid crystal molecules) are oriented in a horizontal direction with respect to the substrate surface when no voltage is applied, sufficient black display cannot be realized, and as a result, sufficient contrast is obtained. I can't get it.
[0041]
In order to solve this problem, it is effective to adjust the optical retardation of the quarter-wave plate for the reflection region 120R so that black display can be performed even in a practical voltage range. Specifically, when the retardation of α remains in the liquid crystal layer 140, the slow axis of the 波長 wavelength plate 170b is made substantially coincident with the direction of the effective slow axis of the liquid crystal layer 140, and By setting the optical retardation of the wave plate 170b to (λ / 4−α), the optical retardation that remains in the liquid crystal layer 140 when a voltage is applied can satisfy the １／ wavelength condition in the entire liquid crystal cell. I do. As another method, the slow axis of the quarter-wave plate 170b is made orthogonal to the direction of the effective slow axis of the liquid crystal layer 140, and the optical retardation of the quarter-wave plate 170b is defined as (λ / 4 + α). By doing so, it is possible to cancel optical retardation remaining in the liquid crystal layer 140 when a voltage is applied, and to satisfy the １／ wavelength condition.
[0042]
Regarding the transmission region 120T, after setting the configuration of the reflection region 120R as described above, the optical axis (slow axis) of the quarter-wave plate 180b is set to the long axis or short axis of the elliptically polarized light emitted from the transmission region 120T. The above problem can be solved by converting elliptically polarized light into linearly polarized light and setting the polarization axis of the polarizing plate 182 in a direction orthogonal to the polarization axis of this linearly polarized light.
[0043]
Alternatively, when the retardation of β remains in the transmission region 120T, the slow axis of the の wavelength plate 180a is made substantially coincident with the direction of the effective slow axis of the liquid crystal layer 140, and By setting the optical retardation of 180a to (λ / 4- (β-α)), the half wavelength condition can be satisfied together with the optical retardation remaining in the liquid crystal layer 140 when a voltage is applied. Alternatively, the slow axis of the quarter-wave plate 180a is orthogonal to the direction of the effective slow axis of the liquid crystal layer 140, and the optical retardation of the quarter-wave plate 180a is set to (λ / 4 + (β−α) ), Optical retardation remaining in the liquid crystal layer 140 when a voltage is applied may be canceled, and the half-wavelength condition may be satisfied.
[0044]
Next, the display characteristics of the transflective liquid crystal display device of the present invention will be described. In the liquid crystal display device 100 shown in FIG. 1, when the phase difference compensating elements 170 and 180 are quarter wave plate, the relationship between the twist angle theta _t and retardation of the liquid crystal layer 140, the reflective area 120R 5 FIG. 6 shows the transmission region 120T.
[0045]
For reflective regions, the twist angle theta _t is in the range of _{0 ° ≦ θ t ≦ 90 °} , if the range of the hatching in FIG. 5, is obtained more than 70% efficiency. In the hatched area in FIG. 5, the retardation Rd (Rd = Δn · d; the birefringence Δn of the liquid crystal layer, the thickness d of the liquid crystal layer in each area) is expressed by the equations (1), (2), and ( In the range surrounded by the curves represented by 3) and (4), respectively, in the range of 0 ° ≦ θ _t ≦ 54.3 °, the formulas (5) and (6), the formulas (7) and ( 8), and in the range of 54.3 ° <θ _t ≦ 90 °, in the range surrounded by the curves represented by the equations (5) and (8). is there.
Rd = −0.0043 · θ _t ² −0.065 · θ _t +1011.8 (1)
Rd = −0.0089 · θ _t ² + 0.1379 · θ _t +914.68 (2)
Rd = −0.0015 · θ _t ² −0.1612 · θ _t +737.29 (3)
Rd = −0.0064 · θ _t ² −0.0043 · θ _t +640.65 (4)
Rd = −0.0178 · θ _t ² + 0.2219 · θ _t +458.92 (5)
Rd = −0.0405 · θ _t ² + 0.4045 · θ _t +364.05 (6)
Rd = 0.0347 · θ _t ² −0.4161 · θ _t +186.53 (7)
Rd = 0.0098 · θ _t ² −0.1912 · θ _t +89.873 (8)
On the other hand, the transmissive area 120T, a twist angle theta _t is in the range of _{0 ° ≦ θ t ≦ 90 °} , if the range of the hatching in FIG. 6, the resulting efficiency of use of 30% or more. The hatched area in FIG. 6 is a range in which the retardation Rd is surrounded by curves represented by Expressions (9) and (10), and Expressions (11) and (12).
Rd = −0.0043 · θ _t ² −0.065 · θ _t +995.66 (9)
Rd = −0.0058 · θ _t ² −0.0202 · θ _t +665.8 (10)
Rd = −0.0248 · θ _t ² + 0.6307 · θ _t +439.58 (11)
Rd = 0.0181 · θ _t ² -0.6662 · θ _t +109.51 (12)
Under the above conditions, the retardation becomes 0 by applying a sufficient voltage to the liquid crystal layer, and a dark display with high contrast is realized.
[0046]
Further, when the twist angle θ _t of the reflection region is in the range of 0 ° ≦ θ _t ≦ 54.3 °, the retardation Rd is defined by the range surrounded by the curves represented by the equations (7) and (8), and the retardation: In the range where Rd is within the range of 54.3 ° <θ _t ≦ 90 ° where the twist angle θ _t of the reflection region is 54.3 ° <θ _t ≦ 90 °, the range surrounded by the curves represented by Expressions (5) and (8) (see FIG. a double hatched area), and the range (FIG surrounded by the curve represented out with formula (11) formula (12) the retardation Rd in twist angle theta _t in the range of 0 ° to 90 ° in the transmissive region 6), when the voltage is applied, the retardation of the liquid crystal layer in the reflection region and the transmission region becomes 0, and if the display is set to black display at this time, the same voltage is applied to the reflection region and the transmission region. Apply Lever, it is achieved at the same time good black display.
[0047]
Each of retardation at the twist angle theta _t reflectance and impact on transmittance are shown in FIGS. 7 and 8, respectively. FIGS. 5 and 6 show regions where the reflectance is 70% or more and the transmittance is 30% or more in FIGS. 7 and 8, respectively.
[0048]
Further, the above-mentioned condition corresponds to a condition for realizing a white display, that is, a white region having the retardation closest to 0, that is, selecting the first peak from the low retardation side in FIGS. Also, gradation display can be performed well. That is, in an intermediate state where white display is changed to black display, brightness (reflectance and transmittance) monotonously decreases, so that good gradation display can be obtained. If the white display is performed using the second peak from the low retardation side in FIGS. 7 and 8 as a condition for realizing the white display, the first peak exists in the halftone display area, and a good gradation is obtained. Key display cannot be performed.
[0049]
Similarly, a range where the reflectance is 90% or more (FIG. 9), a region where the transmittance is 50% or more (FIG. 10), and a region where the transmittance is 70% or more (FIG. 11). An area (FIG. 12) is obtained. The equation of the curve defining each region is shown below.
Rd = −0.0043 · θ _t ² −0.065 · θ _t +987.57 (13)
Rd = −0.0074 · θ _t ² + 0.049 · θ _t +938.59 (14)
Rd = −0.0043 · θ _t ² + 0.0282 · θ _t +712.36 (15)
Rd = −0.0061 · θ _t ² + 0.0564 · θ _t +662.94 (16)
Rd = −0.0192 · θ _t ² + 0.1721 · θ _t +435.68 (17)
Rd = −0.0347 · θ _t ² + 0.5085 · θ _t +387.16 (18)
Rd = 0.0217 · θ _t ² -0.1589 · θ _t +162.09 (19)
The intersection of Equation (18) and Equation (19) is the twist angle θ _t 69.5 °
Rd = 0.0167 · θ _t ² -0.4884 · θ _t +115.56 (20)
Transmittance of 50% or more Rd = −0.0046 · θ _t ² −0.0913 · θ _t +959.69 (21)
Rd = −0.0037 · θ _t ² −0.076 · θ _t +692.65 (22)
Rd = −0.0308 · θ _t ² + 0.5971 · θ _t +407.2 (23)
Rd = 0.0246 · θ _t ² -0.7079 · θ _t +148.65 (24)
The intersection of Equation (23) and Equation (24) is the twist angle θ _t 81.0 °
Transmittance 70% or more Rd = −0.0074 · θ _t ² + 0.049 · θ _t +922.41 (25)
Rd = −0.0043 · θ _t ² + 0.0282 · θ _t +728.54 (26)
Rd = −0.0419 · θ _t ² + 0.5461 · θ _t +371.27 (27)
Rd = 0.0347 · θ _t ² -0.5085 · θ _t +179.14 (28)
The intersection of Equation (27) and Equation (28) is the twist angle θ _t 57.5 °
Transmittance of 90% or more _{^{Rd = -0.0127 · θ t 2 +0.1931}} · θ t +877.69 (29)
Rd = 0.048 · θ _t ² −0.4527 · θ _t +779.34 (30)
Rd = −0.0809 · θ _t ² + 0.809 · θ _t +323.6 (31)
Rd = 0.0404 · θ _t ² −0.4045 · θ _t +226.52 (32)
The intersection of Equation (31) and Equation (32) is the twist angle θ _t 34.0 °
Further, by setting the retardation and the twist angle of the liquid crystal layer in the double-hatched areas of FIGS. 9, 10, 11, and 12, the brightness monotonously decreases in an intermediate state where white display changes to black display. Good gradation display is obtained.
[0050]
In the above description, the twist orientation has been described, but the case of the hybrid orientation can be similarly considered. Hybrid orientation is horizontal alignment one side substrate and the other in vertical alignment, optimal retardation may be considered for the case twist angle theta _t is 0 ° in FIGS. 5 and 6 of this time, the characteristics of that time twist angle theta _t is same characteristics as horizontal orientation of 0 °.
[0051]
As the liquid crystal material of the liquid crystal layer 140, a liquid crystal material having a refractive index anisotropy Δn = 0.06 and exhibiting a positive dielectric anisotropy was used.
[0052]
In the liquid crystal display device 100 shown in FIG. 1, the cell gap dt of the liquid crystal layer 140 in the transmission region 120T = about 5.50 μm, the cell gap dr of the liquid crystal layer 140 in the reflection region 120R = about 3.0 μm, and the twist angle θ _t = 0 °, a liquid crystal material having a positive dielectric anisotropy having a refractive index anisotropy of the liquid crystal layer 140 Δn = 0.06, and a voltage-transmittance characteristic and a voltage at the time of vertical incidence and vertical light reception when a liquid crystal material having a positive dielectric anisotropy is used. FIG. 13 shows the reflectance characteristics.
[0053]
FIG. 13 assumes that the spectral transmission at the time of vertical incidence and vertical light reception with respect to air is 1. In this case, when the applied voltage is 5 V in the reflection region 120R, the retardation of the phase difference compensating element 170b is set to 110 nm and the slow axis of the phase difference compensating element 170b is set because the liquid crystal layer 140 has a residual retardation of about 30 nm. The slow axis of the phase difference compensating element 170a and the polarizing axis of the polarizing plate 172 are set so that the slow axis of the liquid crystal layer 140 coincides with the slow axis of the liquid crystal layer 140, and linearly polarized light enters in a direction rotated by 45 ° with respect to the slow axis. did. The retardation of the phase difference compensating element 180a is set to 140 nm, the direction of the optical axis is made to coincide with the major axis of the elliptically polarized light emitted from the liquid crystal layer 140, and the converted linear polarized light is changed in polarization direction by the phase difference compensating element 180b. The polarization axis of the polarizing plate 182 was set in a direction orthogonal to the polarization axis of the linearly polarized light.
[0054]
FIG. 14 shows spectral luminance (reflectance and transmittance) characteristics of the obtained transflective liquid crystal display device in white display and black display states. It can be seen from FIG. 14 that a sufficient contrast ratio is obtained in the entire wavelength range from 400 nm to 700 nm in white display where no voltage is applied to the liquid crystal layer 140 and in black display where a voltage of 5 V is applied. This also indicates that this display system has high light use efficiency and is suitable for a transflective liquid crystal display device.
[0055]
Therefore, when the ambient light is dark, it is used as a transmissive liquid crystal display device for displaying by utilizing the light transmitted through the transparent region 120T using a backlight, and when the ambient light is bright, the light is reflected by the reflective region 120R. Display can be performed as a reflection type liquid crystal display device that performs display using light. Also, when displaying in the transmissive mode, the reflective area displays in the reflective mode, so that the phenomenon that ambient light is reflected on the screen and the display is difficult to see, which is seen in the conventional transmissive liquid crystal display device, is suppressed. Is done.
[0056]
Therefore, if the ambient light is dark on one panel, use the backlight. If the ambient light is bright, use the ambient light without using the backlight, or use both the backlight and the reflected light. Can be used as a transflective liquid crystal display device capable of displaying images.
[0057]
Therefore, when the ambient light is brighter than the conventional transmissive liquid crystal display device, the power consumption is low because the backlight is not used, and when the ambient light is dark, the backlight is used, so that the conventional reflective liquid crystal display device is used. It is possible to overcome the disadvantage that sufficient display cannot be obtained if the ambient light is dark as in the device.
[0058]
Although the case of white display and black display has been described, a color display can be performed by providing a color filter of each color at a position corresponding to a reflection area or a transmission area.
[0059]
It is desirable that the reflectance and the transmittance have substantially the same dependence of the applied voltage on the reflectance and the transmittance (so-called γ characteristics).
[0060]
Next, a cell gap dr of the liquid crystal layer 140 in the reflective region 120R = about 3.0 μm, a twist angle θ _t = 0 ° of the liquid crystal layer, and a positive index having a refractive index anisotropy Δn = 0.06 of the liquid crystal layer 140. FIGS. 15A and 15B show the relationship between the retardation Rd of the quarter-wave plate 170b (FIG. 4) and the reflectance in the reflection region 120R when a liquid crystal material exhibiting dielectric anisotropy is used. FIG. 15A shows a case where the slow axis of the quarter-wave plate 170b is provided in a direction parallel to the slow axis of the liquid crystal layer 140, and FIG. The result when the slow axis is provided in a direction perpendicular to the slow axis of the liquid crystal layer 140 is shown. Note that this study is performed for a wavelength of 550 nm at which the visibility to light is maximized.
[0061]
In a normally white liquid crystal display device, it is considered that the brightness when the voltage is OFF is preferably about 50% or more with respect to an ideal reflectance. Therefore, it can be seen from FIGS. 15A and 15B that the retardation Rd of the reflection-side retardation plate 170b is preferably in the range of 30 nm or more and 250 nm or less. The reason will be described below.
[0062]
FIG. 17 shows the relationship between the set angle V of the slow axis of the phase difference plate and the slow axis of the liquid crystal phase, and the retardation and brightness (reflectance) of the phase difference plate. An upwardly convex curve having an ideal reflectivity as a peak (100%) exists for each set temperature (0 ≦ V ≦ 90). When the set temperature V increases, the curve becomes rightward ( (Positive direction of the X axis). The lower limit of the optimal retardation is determined by the state of parallel arrangement (V = 0), and the upper limit of the optimal retardation is determined by the state of vertical arrangement (V = 90). FIG. 15A and FIG. 15B show the results of a detailed study of each.
[0063]
That is, if the retardation of the retardation plate is in the range of 30 nm or more and 250 nm or less, good white display and black display can be obtained by setting the slow axis of the retardation plate and the slow axis of the liquid crystal phase at an appropriate angle. And become possible. In other words, if the retardation of the phase difference plate is 30 nm or less, or if the retardation of the phase difference plate is 250 nm or more, good white display cannot be obtained regardless of how the set angle V is adjusted.
[0064]
Subsequently, since it is preferable to further provide a phase difference plate in order to improve the contrast ratio, the half-wave plate 170a is inserted between the above-described phase difference plate 170b and the polarizing plate 172. FIG. 15C shows the relationship between the retardation Rd of the half-wave plate 170a and the contrast ratio in the reflection region 120R. The contrast ratio was examined for wavelengths from 380 nm to 780 nm, and the luminosity was considered by multiplying the result by a luminosity curve to obtain the results shown in FIG. 15C.
[0065]
Considering the visibility, it is preferable that the contrast ratio of the reflection type liquid crystal display device is about 10 or more. Therefore, it can be seen from FIG. 15C that the retardation Rd of the half-wave plate 170a is preferably in a range from 220 nm to 330 nm.
[0066]
After setting the reflection area 120R with priority as described above, the display quality of the liquid crystal display device in the transmission area 120T was further examined. The cell gap dt of the liquid crystal layer 140 in the transmissive region 120T = about 5.5 μm, the twist angle θ _t = 0 ° of the liquid crystal layer, and the positive dielectric constant having the refractive index anisotropy Δn = 0.06 of the liquid crystal layer 140. FIG. 16A shows the relationship between the retardation Rd of the quarter-wave plate 180a (FIG. 4) and the contrast ratio when a liquid crystal material exhibiting anisotropy is used. The calculation result of the contrast ratio shown in FIG. 16A was performed in the same manner as the above-described reflection region 120R.
[0067]
In consideration of visibility, the transmission type liquid crystal display device preferably has a contrast ratio of about 100 or more. Therefore, FIG. 16A shows that the retardation of the retardation plate 180a is preferably set to be equal to or greater than 120 nm and equal to or less than 150 nm.
[0068]
In order to further improve the contrast ratio in the transmission region 120T, the polarization axis of the linearly polarized light emitted from the quarter wavelength plate 180a and the polarization axis of the polarization plate 182 must be set between the quarter wavelength plate 180a and the polarization plate 182. ), It is preferable to insert a half-wave plate 180b for color compensation. From FIG. 16B showing the relationship between the retardation Rd of the half-wave plate 180b and the contrast ratio, the retardation of the half-wave plate 180b is set to 240 nm or more and 310 nm or less so that the contrast ratio satisfies about 100 or more. It turns out that it is preferable.
[0069]
As described above, when the twist angle of the liquid crystal molecules is 0 °, disclination hardly occurs even if there is a step in the cell thickness in the picture element region, and the orientation of the liquid crystal molecules is improved. As described above, when the retardation of the liquid crystal layer and the retardation of the four types of retardation plates 170a, 170b, 180a, and 180b are set in a state where the twist angle of the liquid crystal layer is 0 °, the liquid crystal display device can be obtained. The display characteristics of each of the reflection mode and the transmission mode can be most improved. The priorities that contribute to the display characteristics of the above four types of retardation plates are the retardation plates 170b, 170a, 180a, and 180b, and the retardation plate 170b is the most important component. As can be seen from the above-mentioned priorities, it is preferable to give priority to improving the display in the reflection mode.
[0070]
【The invention's effect】
As described above, a display device having a reflection mode and a transmission mode can display with high contrast. Further, when the reflection mode and the transmission mode are used together, black display is possible at the same time, and even when both are used, a display with high contrast is possible. Further, by changing the applied voltage to change the retardation value of the liquid crystal layer, gradation display from white display to black display becomes possible. Further, since the retardations of the liquid crystal layers in the reflection region and the transmission region can be independently optimized, it is possible to simultaneously drive the liquid crystal layers in the transmission region and the reflection region at the same voltage. Therefore, the display in the reflection mode and the display in the transmission mode can be performed by the same drive without being affected by the surrounding environment. Therefore, there is no need to switch the display mode according to the surrounding environment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a partial cross-sectional view of a transflective liquid crystal display device 100 according to a first embodiment.
FIG. 1B is a top view of an active matrix substrate 70 of the liquid crystal display device 100.
FIG. 2 is a diagram illustrating a polarization state of light in each layer when white display is performed in a reflection region 120R.
FIG. 3 is a diagram illustrating a polarization state of light in each layer when black display is performed in a reflection region 120R.
FIG. 4 is a diagram illustrating a polarization state of light in each layer when display is performed in a transmission region 120T.
FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between a twist angle of a liquid crystal layer 140 and retardation (a region having a reflectance of 70% or more) for a reflection region 120R.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a twist angle of the liquid crystal layer 140 and retardation (a region having a transmittance of 30% or more) for a transmission region 120T.
FIG. 7 is a graph showing the influence of the retardation on the reflectance at various twist angles.
FIG. 8 is a graph showing the influence of retardation on transmittance at various twist angles.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the twist angle of the liquid crystal layer 140 and the retardation (region where the reflectance is 90% or more) for the reflection region 120R.
FIG. 10 is a diagram showing a relationship between a twist angle of a liquid crystal layer 140 and retardation (a region where transmittance is 50% or more) for a transmission region 120T.
FIG. 11 is a diagram showing a relationship between a twist angle of the liquid crystal layer 140 and retardation (a region where the transmittance is 70% or more) for a transmission region 120T.
FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the twist angle of the liquid crystal layer 140 and the retardation (a region where the transmittance is 90% or more) for a transmission region 120T.
FIG. 13 is a diagram illustrating a voltage versus transmittance characteristic and a voltage versus reflectance characteristic of the liquid crystal display device according to the embodiment at the time of vertical incidence and vertical light reception.
FIG. 14 is a graph showing spectral luminance (reflectance and transmittance) characteristics of the liquid crystal display device of the embodiment in a white display state and a black display state.
FIGS. 15A and 15B are graphs showing the results of the retardation Rd of the quarter-wave plate 170b versus the reflectance in the reflection region, and FIG. 15C is a graph showing the half-wave plate 170a in the reflection region. 6 is a graph showing the relationship between the retardation Rd and the contrast ratio of FIG.
16A shows the relationship between the retardation Rd of the 波長 wavelength plate 180a and the contrast ratio in the transmission region, and FIG. 16B shows the relationship between the retardation Rd of the 波長 wavelength plate 180b and the contrast ratio in the transmission region. It is a graph which shows a relationship.
FIG. 17 is a graph showing the relationship between the retardation and the brightness (reflectance) of the retardation of the retardation plate and the set angle V of the slow axis of the retardation plate and the slow axis of the liquid crystal phase.
[Explanation of symbols]
68 Transparent electrode 69 Reflective electrode 70 Active matrix substrate 100 Liquid crystal display device 120R Reflection region 120T Transmission region 140 Liquid crystal layer 160 Counter substrate (color filter substrate)
170, 180 Phase difference compensating element 172, 182 Polarizing plate

Claims

A plurality of picture elements having first and second substrates and a liquid crystal layer sandwiched between the first and second substrates, the plurality of pixels being defined by a pair of electrodes for applying a voltage to the liquid crystal layer; A liquid crystal display device having a region,
Each of the plurality of picture element regions has a reflection region and a transmission region, and the liquid crystal layer is made of a liquid crystal material having a positive dielectric anisotropy,
A first polarizing element provided on the opposite side of the first substrate from the liquid crystal layer;
A second polarizing element provided on a side of the second substrate opposite to the liquid crystal layer;
A first phase difference compensating element provided between the first polarizing element and the liquid crystal layer;
A second phase difference compensating element provided between the second polarizing element and the liquid crystal layer;
The reflection region and the transmission region have a liquid crystal layer made of the same liquid crystal material,
A thickness of the liquid crystal layer in the reflection region is smaller than a thickness of the liquid crystal layer in the transmission region by 2 to 3 μm;
Twist angle theta _t of the liquid crystal layer is 0 ° or more and 90 ° or less,
A range where the retardation Rd of the visible light region of the liquid crystal layer in the reflection region is surrounded by the curves represented by Expressions (1) and (2), and Expressions (3) and (4), 0 ° Within the range of ≦ θ _t ≦ 54.3 °, the range surrounded by the curves represented by Equations (5) and (6) and Equations (7) and (8), 54.3 ° <θ _In the range of _t ≦ 90 °, it is one of the ranges surrounded by the curves represented by the equations (5) and (8), respectively, and
A retardation Rd of a visible light region of the liquid crystal layer in the transmission region, which is a range surrounded by curves respectively represented by Expressions (9) and (10) or Expressions (11) and (12); Each equation is Rd = −0.0043 · θ _t ² −0.065 · θ _t +1011.8 (1)
Rd = −0.0089 · θ _t ² + 0.1379 · θ _t +914.68 (2)
Rd = −0.0015 · θ _t ² −0.1612 · θ _t +737.29 (3)
Rd = −0.0064 · θ _t ² −0.0043 · θ _t +640.65 (4)
Rd = −0.0178 · θ _t ² + 0.2219 · θ _t +458.92 (5)
Rd = −0.0405 · θ _t ² + 0.4045 · θ _t +364.05 (6)
Rd = 0.0347 · θ _t ² −0.4161 · θ _t +186.53 (7)
Rd = 0.0098 · θ _t ² −0.1912 · θ _t +89.873 (8)
Rd = −0.0043 · θ _t ² −0.065 · θ _t +995.66 (9)
Rd = −0.0058 · θ _t ² −0.0202 · θ _t +665.8 (10)
Rd = −0.0248 · θ _t ² + 0.6307 · θ _t +439.58 (11)
Rd = 0.0181 · θ _t ² -0.6662 · θ _t +109.51 (12)
Liquid crystal display device.

The retardation Rd is, in a range twist angle theta _t is 0 ° ≦ θ _t ≦ 54.3 ° in the reflection area, the range is surrounded by a curve represented by the formula (7) and the formula (8) or, the retardation Rd is, in a range twist angle theta _t is 54.3 ° <θ _t ≦ 90 ° in the reflection region, a range surrounded by a curve represented by the formula (5) and the formula (8) ,and,
Wherein the twist angle theta _t is 0 ° to 90 ° in the range of transmissive regions, the range in which the retardation is surrounded by the curve represented de above equation (11) above equation (12), according to claim 1 3. The liquid crystal display device according to 1.