JP3579071B2 - 液晶表示器 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はコレステリック液晶の円偏光波長選択性を利用した液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より電界効果型の液晶表示器は消費電力が小さく薄型の表示器が構成できるという長所をもっていた。このような表示器の代表的なものは、特開昭５１−１３６６６号公報に示されるような９０度捩れ角のツイストネマティック液晶層を直交ニコルで挾持するものや、特開昭６０−１０７０２０号公報に示されるような大きな捩れ角のカイラルネマティック液晶層を偏光軸選択で表示に利用するものがあげられる。これらはネマティック液晶を利用した電界効果型の液晶と呼ばれ実用段階になっている。
【０００３】
これに対してカイラルネマティック液晶に染料を添加する、いわゆるゲストホスト型若しくはホワイトテーラー型の液晶表示器がある。これは染料を液晶に混入し、電気的には液晶が、光学的には染料がその役割を分担するものである。さらに液晶の温度依存性による着色現象を表示に利用する短ピッチのコレステリック液晶表示器の提案もあり、コレステリック液晶のピッチの大きさが透過光の波長依存性をもつことを利用して表示するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
然し乍ら、ネマティック液晶を用いた電界効果型の液晶は、視角が余り広くなく、又その表示器のみでは実用的な高いコントラストが得にくい。これは主として偏光板による光損失と偏光軸により透過光の中から表示に利用する光を選択することにより生じる欠点で、光損失は一般に５０％を越え、視角は２０％以下のものが多い。特に光損失においては、カラー表示を行うに当って、カラーフィルターにより更に光損失が増大する。そしてコントラストを上げる為に透過型表示にして背面に照明手段を必要とし、これは表示器が厚くなるばかりか消費電力が大きくなり、液晶表示器の長所を減殺するものである。
【０００５】
これに対してゲストホスト型若しくはホワイトテーラー型の液晶表示器は、染料が液晶固有の電気光学的特性を制限するため、色彩が鮮やかで液晶分子に馴染む染料が必要であるが、そのような染料と電気的に優れた特性を有する液晶の組合せは実用に至っていない。さらに前述のコレステリック液晶表示器は、色の安定性と表示速度の高速化を満足させる表示器は得られていない。
【０００６】
この様にいずれの液晶においても光の利用効率が極めて低かったり、材料的に若しくはその他の解決すべき課題が多いために、実用と成り得る光利用効率の高い液晶表示装置が存在していないのが現実である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明はこの様な点に鑑みて、特定の波長を極めて効率よく利用するため特定波長の光の所定方向の円偏光を反射する、表示制御のための電界印加手段を持たないコレステリック液晶層を利用することを検討し成されたものである。
【０００８】
本発明は第１に、配向処理を行った基台と、基台上に設けられ選択された波長の円偏光した光を反射する硬化されたコレステリック液晶からなる反射層と、コレステリック液晶を硬化する前に反射層上に形成される保護層と、保護層上に積層され硬化されたネマティック液晶からなる位相層と、位相層の上方に設けられた電極層と、電極層の上方に設けられた液晶分子の配向層とを含んだ第１の基板と、電極層と配向層とを有する第２の基板と、第１、第２の基板の間に充填され配向層で配向された液晶層と、液晶層の反射層とは反対側に位置する外側に配置された偏光子とを具備した液晶表示器である。
【０００９】
また本発明は、電界印加手段を持つ２枚の基板と、基板の間に充填されたネマティック液晶の液晶分子が基板の表面に略垂直な方向に螺旋構造を有する液晶層とを有する液晶表示器において、一方の基板には、配向処理を行った基板上に積層され選択された波長の円偏光した光を反射する反射層と、反射層を架橋する前に反射層上に形成される保護層と、保護層上に積層された高分子樹脂から成る位相層と、位相層の上方に設けられた電極層と、電極層の上方に設けられた配向層とを有したものである。
【００１１】
【作用】
これにより、反射層の円偏光された光は損失少なく位相層で液晶層に使用され得る偏光モードに変換され、液晶層で制御された光はその殆どが表示に利用される。また反射層から表示器外側までの光学距離が短くできるので表示品位を低下させることもない。
【００１２】
【実施例】
図１は本発明における代表的な液晶表示器の断面図である。図に於て、１は第１の基板で、板ガラス等からなる基台１１の上に次の各層が設けられている。２は選択された波長の円偏光した光を反射する硬化されたコレステリック液晶からなる反射層で、必要に応じて下地層１２と保護層１３に挾持されている。３はその反射層２の上方に設けられた位相層で、略１／４波長板の役目を果たす様に高分子液晶を硬化させて得られたネマティック液晶からなる。４はその位相層３の上方に設けられた電極層で、第２の基板の電極とマトリクスを組むためにストライプ状の透明電極膜（ＩＴＯ）が平行して複数本設けられている。５はその電極層４の上方に設けられた液晶分子の配向層である。
【００１３】
また、６は電極層６４と配向層６５とを有する第２の基板である。そして７は第１、第２の基板１、６の間に充填され配向層５、６５で配向された液晶層であり、いわゆる電界によって液晶分子の配列が制御でき、それに伴って光学特性が変化するものである。この液晶層７としては、例えば９０度捩れ配向のネマティック液晶層（ＴＮ）や、２７０度等の大きな捩れ配向をもつネマティック液晶層（ＳＴＮ）などの電界効果型液晶が利用できる。そして８は、その液晶層７の反射層２とは反対側に位置する基板６の外側に配置された偏光板であり、第２の基板６自身を直線偏光特性を持つ基板で構成してもよいことから偏光子と呼ぶこともある。
【００１４】
このような構成において、原理的には、反射層２は特定な波長に対する右旋（または左旋）円偏光発生手段、位相層３はその光に対する１／４波長板、液晶層７はその波長に対する１／２波長板、偏光子は光の振動方向選択板と考えることができる。図２はこのような原理を説明するもので、反射層、位相層、液晶層、偏光子の各光学層の配置を模式的に示したもので、円偏光した光、例えば右にπ／２進む光は、位相層３でπ進む直線偏光の光に変換され、液晶層７により２π進む光となってこれが偏光子８の偏光軸と一致していれば反射層で選択された特定の色の光が観察されることになる。それに対して液晶層７に電界が印加されていれば、図示していないが螺旋構造を取っていた液晶分子は基板面に略垂直に配向し１／２波長板の役目をしないので、位相層３の出力であるπ進んだ光はそのまま液晶層７を透過し、その状態では位相に変化がないので偏光子８の偏光軸と直交するため光が透過せず、黒色が観察されることとなる。従って図１の反射層２として、選択する波長が周期的に変わるように配置され、その波長が各々赤、緑、青に対応していれば、カラー表示が行えることとなり、各波長板（位相層３、液晶層７）は光の進行速度に影響を与えるものの光吸収は殆どない上、最後に用いる偏光子８は光の一部を選択するものではなく振動方向に一致した光は全て透過するので、明るくコントラストの高い表示を行うことができる。
【００１５】
このように液晶層７と偏光子８とは略直線偏光された光の出力を選択しているので、選択された波長の円偏光した光を反射する反射層と、その円偏光した光を略直線偏光の光に変換する位相層と、電圧印加手段を有した液晶層を含みその変換された略直線偏光の光を電界の印加によって透過させ若しくは遮光する光検出層とを順次積層した構造であるとも言える。
【００１６】
より具体的に説明すると、反射層２は、例えば特開昭５７−１６５４８０号公報や特開昭６１−１３７１３３号公報に示される様なコレステリック高分子液晶材料が利用できる。即ち、シロキサンリングに他のリングとの結合を行う例えばアクリル基とコレステリック液晶が交互に周囲に結合されたものを利用する。この場合、このコレステリック液晶には表示中に電界を印加しないといってもコレステリックの螺旋方向が光軸に沿っていなければならないので、反射層２を基台１１上に形成するに当って、例えばコレステリック高分子液晶を溶媒に溶解した状態で予め配向処理を行った基台１１に塗布し、保護膜１３で覆ってから熱処理を行い、その後架橋させる。この架橋させる前の熱処理において反射層２としての選択波長を所定の値に選択することができ、架橋することでその特性が固定される。また位相層３も同様に、例えばポリシロキサンを主鎖とし側鎖にネマティック液晶を有し、適宜紫外線によって架橋する活性基を有したネマティック高分子液晶を溶媒に希釈し、反射層２若しくはその上の保護層１３の上に塗布し、紫外線を照射して硬化させる。このような位相層３は主鎖形高分子液晶よりも側鎖形高分子液晶が好ましく、硬化架橋した後は高分子樹脂としての性格をもち、例えばネマティック液晶としてのΔｎが０．１５であれば厚みは１μｍでよい。電極層４や配向層５は液晶層７に何を用いるかによって選択でき、例えばＴＮ用の配向剤、ＳＴＮ用の配向剤、若しくは強誘電液晶用の配向剤等が用いられる。
【００１７】
そして液晶層７は上述したように基本的には１／２波長板として作用するか等方性の層として働くかを制御するものであるが、これは可視光の略全領域をカバーするものでなければならないので重要である。例えば強誘電液晶を用いるとすれば、ＯＮ状態かＯＦＦ状態かに係わらず一軸配向であるから、反射層２と位相層３とを別々の基板１、６に設けてもよい。この場合には各光学層の配置は図３の様になり、液晶表示器の特性は図４のように略全可視光域をカバーできる。（なお図４と後述する図５〜７は、反射層が極めて小さいピッチで可視光域全波長の各々の単位波長に対して波長選択する様に整列されていたとして連続した曲線で描かれているが、実際には前述の様に３原色に対応する波長域しか利用しない。）しかしながら、強誘電液晶よりも遥かに安定性に優れたＴＮやＳＴＮを用いる場合には特に電界を印加しない状態で強誘電液晶と条件を異にする。ＴＮやＳＴＮのように液晶分子が螺旋構造を取ると、図３の光学配置では全可視光域をカバーするコントラストの高い表示器が得られない。即ち、広い視野角と高速応答性が得られるＳＴＮモードを例に説明すると、反射層２０で得られた円偏光を液晶層７０へ導いた場合、液晶分子の螺旋構造の為に完全に逆転した円偏光を得ることができずに楕円偏光となってしまうので、図５に示す様に偏光子８０の出力は、液晶層７０の透過光から偏光軸の一致する光成分を取り出すことになって光損失が大きくなる。この偏光子８から出る光を多くしようとすると液晶層７０は特定の波長に着目をしなければならなくなり、図６に示す様に表示器は波長依存性をもったものになるから、カラー表示には不適当となる。
【００１８】
従ってこれらネマティック液晶を用いた電界効果型の液晶を用いる場合には、液晶分子の螺旋構造が与える影響は円偏光の光に対するよりも直線偏光の光の方が少ないことを考慮して、一方の基板の基台上に選択された波長の円偏光した光を反射する反射層と、その反射層の上方に設けられた高分子樹脂から成る位相層と、その位相層の上方に設けられた電極層と、さらにその電極層の上方に設けられた配向層とを含むように構成する光学順序が好ましく、この場合各光学層が近接されるため光損失が少なくまた他の光学的・物理的要素が介在しにくいことも含め、図７に示す様に、略全可視光波長域において高いコントラストを得ることができた。
【００１９】
【発明の効果】
以上の如く、本発明にあっては特定の波長域の光に着目してその波長域の光を有効に利用し、しかも各光学層は薄く互いに近接配置されるので、光の利用率が高いばかりか表示品位も高く表示器としての取扱も容易となり、配向安定性のよいネマティック液晶の螺旋構造を利用するときも基板の位相層により楕円偏光の影響を軽減できるので、略可視光域全体において明るく色コントラストのよい高時分割駆動の表示が行えた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における液晶表示器の断面図である。
【図２】本発明の実施例に係る液晶表示器の各光学層の配置模式図である。
【図３】液晶表示器の各光学層の他の配置模式図である。
【図４】図３において液晶層に強誘電液晶を用いたときの特性図である。
【図５】図３において液晶層にＳＴＮ液晶を用いたときの特性図である。
【図６】図３において液晶層にＳＴＮ液晶を用いたときの特性図である。
【図７】本発明実施例の液晶表示器における特性図である。
【符号の説明】
１ 第１の基板
２ 反射層
３ 位相層
４ 電極層
５ 配向層
６ 第２の基板
７ 液晶層
８ 偏光板（偏光子）

Claims (2)

1. 配向処理を行った基台と、該基台上に設けられ選択された波長の円偏光した光を反射する硬化されたコレステリック液晶からなる反射層と、前記コレステリック液晶を硬化する前に該反射層上に形成される保護層と、該保護層上に積層され硬化されたネマティック液晶からなる位相層と、該位相層の上方に設けられた電極層と、該電極層の上方に設けられた液晶分子の配向層とを含んだ第１の基板と、電極層と配向層とを有する第２の基板と、前記第１、第２の基板の間に充填され配向層で配向された液晶層と、該液晶層の前記反射層とは反対側に位置する外側に配置された偏光子とを具備したことを特徴とする液晶表示器。
2. 電界印加手段を持つ２枚の基板と、該基板の間に充填されたネマティック液晶の液晶分子が前記基板の表面に略垂直な方向に螺旋構造を有する液晶層とを有する液晶表示器において、前記一方の基板には、配向処理を行った基板上に積層され選択された波長の円偏光した光を反射する反射層と、前記反射層を架橋する前に該反射層上に形成される保護層と、該保護層上に積層された高分子樹脂から成る位相層と、該位相層の上方に設けられた電極層と、該電極層の上方に設けられた配向層と含んでいることを特徴とする液晶表示器。

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