JP3897300B2 - 液晶情報ディスプレイ - Google Patents

Description

【０００１】
背景
関連出願
本出願は、２０００年１２月６日出願のロシア連邦特許出願第ＲＵ２０００１３０４８２号の恩典を請求する。
【０００２】
分野
本発明は、情報ディスプレイ、特に、液晶ディスプレイに関するものであり、各種機能の表示装置、並びに光学モジュレータ、光表示のマトリクスシステム等に使用できるものである。
【０００３】
関連技術の説明
二酸化インジウムや酸化スズのような光学的に透明な導電性材料で作られた電極を内側に配した２枚の平行なガラスプレートで形成された平坦なセルとして具現化されている液晶情報ディスプレイは、既知である。電極を備えたプレートの内表面には、液晶材料を整列させるため特別な処理が施される。セルをアッセンブリした後、液晶が充填され、５−２０μｍの層を形成し、電界の影響下でその光学的特性（偏光面の回転角度）を変化させる活性媒体を構成する。光学特性の変化は、交差配向偏光子内に記録され、これがセルの外表面上に貼り付けられる。
【０００４】
この種の装置の一般的な欠点は、明るさが暗く、コントラストが低く、エネルギー消費が極めて多いことである。他の既知のディスプレイの構造は、互いに相当異なる屈折係数を有する数多くの相当厚い層で構成されている。各層では、吸収、並びに層間の境界における反射のために相当な光の損失が生じる。加えて、既知の装置では、見える角度の範囲が限られている。
【０００５】
最も近い先行技術は、ディスプレイパネルを形成する２枚の平坦で平行なプレートでを備えた平坦なセルとして具現化された液晶情報ディスプレイである。既知のディスプレイの特徴は、ディスプレイに使用する層を少なくし、各層の厚さを減じ、内部偏光子の使用を可能とし、数層の機能を単一層に組み込めるようにすることによって、設計が相当に単純化されていることである。この様に、例えば、二色性染料の配向超分子錯体から得られ、且つパネルの内側表面上に形成された偏光子の層は、液晶整列層の機能と同様に偏光子自身の機能も同時に果たすことができ、その上、この種の層を得る技術は、高品質で光学特性に優れた非常に薄いフィルムを得ることも含んでいる。
【０００６】
既知のディスプレイの欠点は、明るさが暗く、コントラストが低いことであるが、それはシステム内の全ての要素の光学的配位の欠如によるものであり、これが相当な損失に繋がっている。
【０００７】
概要
本発明の目的は、透過型液晶ディスプレイに対しては光の透過を最適化し、反射型液晶ディスプレイに対しては光の反射を最適化することを目的とした、多層構造の全て又は少なくとも幾つかの機能要素（層）の光学的配位を特徴とする表示ディスプレイを提供することである。
【０００８】
このため、本発明の液晶情報ディスプレイは、機能層を有するフロントパネル及びリヤパネルと、前記フロント及びリヤパネルの間に配した液晶層とを備えており、前記液晶層は、前記フロントパネル上で少なくとも１つの線形偏光された光の成分に対し、及び少なくとも１つの波長に対して、電圧バイアスの存在下で、干渉の極値を与えるパラメータを有し、その干渉の極値は、電極層にかかる電圧バイアスの有る状態で最小透過率を提供し、かつ電極層にかかる電圧バイアスの無い状態で最大透過率を提供することを特徴とする。
本発明の技術的成果は、特にディスプレイの表面に直角に進む光に関して画像の明るさとコントラストが増し、厚さが薄くなり、ディスプレイの全て又は少なくとも幾つかの機能層及び要素を最適化し且つ幾つかの機能を単一の層内に組み合わせたことによりディスプレイ設計が単純になり、損失が低減しディスプレイの光学的特性が向上したことである。
本発明を使用すれば、ディスプレイの光学的に等方性及び異方性の機能層を通る光の透過を最適化することができ、実質的にその効率を高めることになる。
【０００９】
本発明の上記及びその他の目的は、添付図面を参照しながら以下の説明を読めば、明快に理解頂けるであろう。
【００１０】
好ましい実施例の説明
図１は、外部電界を掛けると光学的特性が変化する少なくとも一つの液晶層２を備えた構造を示す。この装置は、偏光子３及び４を備えており、他の機能要素又は層を含んでいてもよい。互いに屈折率が異なる層の間の境界に入射した光のビーム５は、全層を透過するビーム５₁と、互いに屈折率が異なる材料の境界で反射されるビーム５^I、５^II、５^III、５^IVに分割される。各機能層の光学特性と厚さを（電界を掛ける場合と掛けない場合の液晶材料の二つの状態を考慮して）選択すれば、一方の偏光の光を低減し、同時に他方の偏光の光を高めることができる。
【００１１】
本発明の技術的成果は、液晶情報ディスプレイには、機能層を有するフロント及びリヤのパネルの間に液晶の層が入っているという事実によって達成される。液晶の層は、ＬＣＤのフロントパネル上の（ディスプレイの出口における）少なくとも１つの光の線形偏光成分に対して、及び少なくとも１つの波長に対して、干渉の極値を提供するパラメータを有している。「フロントパネル」という用語は、観察者側に位置する液晶ディスプレイパネルを指すのに用いる。これは、透過型及び反射型ディスプレイの双方に当てはまる。干渉の極値は、最大値又は最小値の何れかである。透過型ディスプレイでは、干渉の最大値は、ディスプレイを通過する偏光された光の成分内で観察される。反射型ディスプレイでは、干渉の最大値は、反射された、偏光された光の成分に観察される。何れの場合も、吸収された、偏光された光の成分は、干渉の最小値を有しているのが望ましい。機能層の容量内に、ディスプレイは、少なくとも１つの偏光子層、少なくとも１つの電極層、少なくとも１つの整列層、少なくとも１つの平坦化層、少なくとも１つのリターダー層、少なくとも１つの非反射性層、少なくとも１つの光反射層、少なくとも１つのカラーフィルター層、少なくとも１つの保護層、又は同時に少なくとも上記層の２つとして機能する少なくとも１つの層を保有している。少なくとも１つの偏光子は、内部偏光子であるのが望ましい。上に挙げた機能層の内の少なくとも１つは、異方性であってもよい。ディスプレイの出口、及び／又は少なくとも２つの機能層の境界における、透過又は反射の干渉の最大値又は最小値は、電極層上の電圧バイアスの存在の有り及び／又は無しによって提供することができる。少なくとも１つの機能層の光学的厚さは、少なくとも２つの機能層の境界上に、干渉の極値（透過又は反射する、偏光された光の成分の最大値又は最小値）を提供することができる。ディスプレイ内の全ての層の数とパラメータは、ディスプレイのフロントパネル上の、透過又は反射の干渉の最大値又は最小値を提供するために、調整するのが望ましい。少なくとも１つの異方性の層は、次の式、即ち、
{Ｋ}(Ｍ)ｎ
で表される有機染料の配向フィルムであり、ここに、Ｋは、その化学式が、リオトロピック液晶相を形成するために極性溶媒への溶解性を提供する、同一又は異なる単数又は複数のイオン発生基を含んでいる染料を表し、Ｍは対イオンを表し、ｎは、染料分子内の対イオンの数を表し、ｎは、１つの対イオンが幾つかの分子に属する場合には分数となり、ｎ＞１の場合、対イオンは異なっている。少なくとも１つの異方性の層は、結晶性フィルムでもよい。
【００１２】
二つの媒体の間の境界上に入射した電磁波は、第２媒体内に伝達される波と境界から反射される波に分割される。液晶情報ディスプレイでは、機能層の間の境界で反射された放射線は、ディスプレーの品質を悪化させることに繋がる損失を構成することになる。反射波内のエネルギーの割合は、二つの媒体の屈折率の比で求めることができる。相当に異なる屈折率を有する数多くの層を備えた複雑な装置では、反射によるエネルギーの損失は相当な量に達する。その上、反射性の液晶ディスプレイでは、機能層の間の境界から反射された放射線は、グレアを引き起こし、表示のコントラストを相当に悪化させることになる。
【００１３】
各機能層の光学的厚さ（反射光線の伝搬の光学的差異）を選定することによって、「非反射」の効果を得ることができ、そうすると反射光線同士の干渉は、伝達される光のエネルギーの割合を増すことに繋がる。
【００１４】
液晶ディスプレイは、光学的に異方性なので、即ち選定された光の偏光に敏感なので、ディスプレイの最適化、即ち各層の光学的厚さの選定は、各偏光の方向毎に実行しなければならない。その上、液晶ディスプレイは、二つの実質的に異なる状態、即ち電極上に電圧バイアスの存在が有るか無いか、を有している。従って、液晶情報ディスプレイは、ダイナミック要素（液晶）を備えた偏光相多層ディスプレイと考えることができる。各層の光学的厚さと順序の計算は、既知のアルゴリズムを使って実行される。システムが光学的異方性の層を含んでいるのに対して、既知のアルゴリズムは等方性のシステムに適用可能なので、既知のアルゴリズムを使って異方性の層のパラメータを計算する間は、各偏光状態、即ち液晶の開閉状態毎に、対応する屈折係数を使用しなければならない。光学的厚さの二つの値は、各層毎に求められる。各層の光学的厚さの必要な値は、得られた間隔から求められる。本装置の有効性は、光学的厚さの最適化のための規準として使用される。
【００１５】
実施例
例として、透過型液晶ディスプレイを考えよう。透過型液晶ディスプレイは、２枚のプレートで構成されているが、プレートは、ガラス、プラスチック、その他透明な材料で作ることができる。これらプレートのネマチック液晶の層に面する内側表面には、透明な電極が設けられる。透明な電極を覆うように、ポリマーその他の材料の偏光フィルムが設けられるが、これは表面の凹凸を平坦化してプレートの全表面を均等な特性を持ったものとする。これらフィルム上に偏光コーティングが、光学軸が互いに直角に配向されるように設けられる。偏光コーティングは、ネマチック液晶の分子を整列させる。プレートと機能層は、液晶材料の各側にパネルを形成する。
【００１６】
超ねじれネマチック（ＳＴＮ）の液晶ディスプレイでは色補償の目的で、第２プレート上に所定の光学的厚さを有する光学的異方性の層が、追加的に導入される。
【００１７】
図２は、本発明の或る実施例によるディスプレイの断面図である。ディスプレイの層の材料と厚さは、表示された画像の明るさとコントラストが最大になるように選択される。図に示すように、ディスプレイ内の機能層の配置は、液晶層１２に関して対称である。或る実施形態では、ディスプレイのセルは、厚さ１．１ｍｍで屈折率ｎ＝１．５の間隔を空けた２枚の平行なガラスプレート７と、厚さ０．０８μｍで屈折率ｎ＝１．８５のＩＴＯ材の層８と、厚さ０．１μｍで屈折率ｎ＝１．７５の透明なＳｉＯ₂の層９と、厚さ０．４μｍで光学パラメータｎ₀＝１．９１、ｎ_c１．４８、ｋ₀０．７２２を有するウェイトレシオ３．２の青紫の組成物の整列したフィルム（米国９４０８０カリフォルニア州サウス・サンフランシスコのオプティバ社製の商品名Ｖ０１７）である光学的異方性の層１０と、厚さ０．０４μｍで屈折率ｎ＝１．５２のポリイミドのフィルム１１と、液晶材（２４０°ねじれたＭＬＣ−６８０６−０００）の層で構成されている。
【００１８】
この他、ディスプレイの出口（フロントパネル上）で透過又は反射の干渉の極値、即ち最大値又は最小値、を提供するために、光学的に等方性又は異方性の追加の層をディスプレイ内に導入してもよい。これは、プレート表面の非反射性コーティングでもよいし、機能層の間の薄いフィルムでもよい。偏光子とリターダーのフィルムの容量内にリオトロピック液晶相を形成することのできる二色性染料の溶液から得られた異方性の層を使えば、厚さ０．６−１．２μｍのフィルムを得ることができる。液晶の層は、厚さ１から１０μｍとなるように選定される。ディスプレイ内の層数の計算と、各層の材料（光学的パラメータ）の選定は、多層干渉システムを計算するための既知のアルゴリズムを使って実行される。システムのパラメータは、電極に電圧バイアスがかかっていないときに最大透過率となり、電圧バイアスがかかっているときに最小透過率となるようであるのが望ましい。
【００１９】
ディスプレイのスペクトル特性を強化するために、層の量が増やされ、それがディスプレイの全体厚さの増加に繋がっている。
【００２０】
反射型液晶ディスプレイの計算と設計は、ディスプレイ出口における透過と反射の干渉の最大値と最小値を提供するものであるが、上記と同様に実行される。ディスプレイの反射性異形体では、第２プレートを、非透明材ばかりでなく透明材で作ることもできる。その場合、光反射層、例えばアルミニウムミラーがその上に形成される。アルミニウムのフィルムは、同時に連続電極の役も果たす。写真製版を使えば、アルミニウムをエッチングして、所望の形状をした電極を得るために、所望の経路に沿って１０−１００μｍ幅の細い線を得ることができる。偏光コーティングは、反射性コーティング又は平坦化層上に直接掛けられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 液晶ディスプレイの一般的作動原理を概略的に示した図である。
【図２】 本発明の或る実施形態による、透過ディスプレイの断面図である。

Claims (5)

1. 偏光子を備える機能層を有するフロントパネル、及び偏光子を備える機能層を有するリヤパネルと、前記フロント及びリヤパネルの間に配した液晶層とを備えており、
   前記偏光子は異方性の層を備え、その異方性の層は、次の式、即ち、
   { Ｋ }( Ｍ ) ｎ
   （ここに、Ｋは、その化学式が、リオトロピック液晶相を形成するために極性溶媒への溶解性を与える、同一又は異なる単数又は複数のイオン発生基を含んでいる染料であり、Ｍは対イオンであり、ｎは、染料分子内の対イオンの数である）
   で表される有機染料の配向フィルムであり、
   前記液晶層は、前記フロントパネル上で少なくとも１つの線形偏光された光の成分に対し、及び少なくとも１つの波長に対して、電圧バイアスの存在下で、干渉の極値を与えるパラメータを有し、その干渉の極値は、電極層にかかる電圧バイアスの有る状態で最小透過率を提供し、かつ電極層にかかる電圧バイアスの無い状態で最大透過率を提供することを特徴とする液晶情報ディスプレイ。
2. 少なくとも１つの前記偏光子は、内部偏光子であることを特徴とする、請求項１に記載の液晶情報ディスプレイ。
3. 前記少なくとも１つの異方性の層は、結晶性フィルムであることを特徴とする、請求項１に記載の液晶情報ディスプレイ。
4. 少なくとも１つの機能層の光学的厚さは、少なくとも２つの機能層の境界上の前記干渉の極値を提供することを特徴とする、請求項１に記載の液晶情報ディスプレイ。
5. 前記ディスプレイ内の全ての層の数とパラメータは、前記フロントパネル上の前記干渉の極値を提供するように調整されていることを特徴とする、請求項１に記載の液晶情報ディスプレイ。

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