JP3916244B2 - ホログラムを用いた反射型液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、ホログラムを用いた反射型液晶表示装置に関し、特に、カラーフィルターとしてホログラムを用いた反射型液晶表示装置に関する。

従来、反射型液晶表示装置は、表示コントラストを重視してきたため、偏光板を用いてＴＮ、ＳＴＮモードでの駆動が中心であった。このとき、液晶パネルへの入射光を散乱性反射板により反射させ表示を行っていた。しかし、この方式では、入射光の半分以上が偏光板により吸収されてしまい、反射輝度が低下し表示の明るさが不十分であるという欠点があった。

このような反射輝度の低さを補うため、ここ数年、偏光板を用いないパネル構造がいくつか提案され、携帯用情報端末の表示装置として要求される明るさに近づいてきた。このような構造では、液晶層の背後のＴＦＴ等の駆動素子の上に絶縁層を介して反射板兼電極を形成する。反射板は入射光を散乱させるために粗面化してあり、どの角度からでも表示が見えるようになっている。

ところが、このような反射板は、紙のようにどの角度からでもある程度の明るさで見える代わりに、観察者が通常最も頻繁に見る角度においてあまり明るくないという欠点があった。また、カラー表示を行う場合に、液晶パネル表面にカラーフィルターを配置すると、さらに反射輝度が低下して十分な明るさが得られなかった。

ところで、反射光をある散乱角度内に制限して輝度を向上させるためには、微粒子を分散した散乱フィルムを液晶パネル表面に貼る方法がある。しかし、この方法は、反射輝度の向上のみが可能であり、カラー化する場合にはカラーフィルターを別途用いる必要があると言う問題があった。

本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、カラーフィルターとしてホログラムを用いて、反射型液晶表示装置の反射輝度を向上させて明るいカラー画像が得られるようにすることである。

上記目的を達成するための本発明のホログラムを用いた反射型液晶表示装置は、画素毎に区切られた画素電極と共通電極の間に挟持され、画素毎に透過率が制御可能な液晶層を備えた反射型液晶表示装置において、画素がＣ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）の３色からなるホログラムカラーフィルターを液晶層の観察側に配置し、隣接する画素間で所定の入射角で観察側から入射する光中の異なる波長成分を観察域外に反射回折する反射型ホログラム層を備えていることを特徴とするものである。

この場合に、液晶層としては例えば相転移型ゲストホスト液晶から構成することができる。

本発明によると、Ｃ、Ｍ、Ｙの加法混色により明るい反射型カラー液晶表示装置を構成することができる。

以下、図面を参照にして本発明のホログラムを用いた反射型液晶表示装置のいくつかの実施形態を説明する。

図１は、本発明の反射型液晶表示装置の基本形態の断面図であり、観察側から、ガラス基板１、対向共通透明電極を構成するＩＴＯ（酸化インジウム錫）膜２、偏光板を用いなくとも光変調動作の可能な相転移型ゲストホスト液晶等の液晶層３、本発明による視角が制限された反射散乱ホログラム４、反射板兼画素電極５、アクリル等の絶縁層６、ＴＦＴ７、ガラス基板８からなり、各画素電極５は絶縁層６を介して各ＴＦＴ７に接続されており、ＴＦＴ７の状態により画素電極５とＩＴＯ膜２の間に画素毎に選択的に電圧印加制御が可能になっている。

本発明による視角が制限された反射散乱ホログラム４は、例えば図２に示すような配置で撮影される。すなわち、フォトポリマー等の体積ホログラム感材１０の背後に所定の距離離間して散乱板１１を配置し、ホログラム感材１０の前面から所定の入射角θ（２０°程度）で参照光１２を入射させ、一方同じ波長の照明光１３で散乱板１１を照明し、その散乱板１１からの散乱光１４をホログラム感材１０の背面から同時に入射させ、参照光１２と散乱光１４をホログラム感材１０中で干渉させて反射散乱ホログラム４を撮影する。

このような反射散乱ホログラム４は、図３に示すように、入射角θで入射する外光１５を、あたかも撮影の際の散乱板１１の位置から散乱光が出るように回折光１６が角度α内に制限されて反射回折する。この角度αは、図２の撮影の際の散乱板１１のホログラム感材１０からの距離と寸法に依存するので、これらのパラメータを調整することにより、角度αは所望の範囲に設定できる。

したがって、このように反射回折角がα内に制限されている反射散乱ホログラム４を、図１に示すように、液晶層３の背面に配置すると、反射型液晶表示装置の観察側から入射する外光中の入射角θで入射する成分１５は、ガラス基板１、ＩＴＯ膜２を経て、ＴＦＴ７のスイッチングにより画素電極５とＩＴＯ膜２の間に電圧印加がされて透過状態にある画素の液晶層３を透過し、反射散乱ホログラム４により角度（視角）α内に反射散乱され、再度液晶層３、ＩＴＯ膜２、ガラス基板１を通って、視角α内にある観察者の目に達する。

そのため、図１のような構成により、各画素のＴＦＴ７による変調状態の組み合せにより任意の画像が反射表示できる。しかも、外光を全角度に散乱させるのではなく、観察者が最も頻繁に画面を見る角度αの範囲内に制限して散乱させるので、表示輝度を向上させた明るい画像表示が可能になる。

なお、図２のような配置で撮影した反射散乱ホログラム４は単色の散乱しかせず、表示は色の着いたモノクロ表示となる。これを白色の散乱をするようにするには、図２の配置での撮影をＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）各波長域内にある３つの波長で３回多重に行えばよい。また、それら各波長で記録した同様のホログラムを３枚重ねて用いてもよい。さらには、フォトポリマー等の体積ホログラム感材１０中にモノマー、可塑剤等を拡散させて回折波長を調節するカラーチューニングフィルムの密着・加熱（特開平３−４６６８７号）による回折波長の半値幅の増加によってもよい。

次に、図１のような配置を用いて反射型カラー液晶表示装置を構成する例について、図４の断面図を用いて説明する。図４の構成は、観察側のガラス基板１とＩＴＯ膜２の間に、カラーフィルター２０を追加した点以外は、図１の構成と同じであり、カラーフィルター２０のＲ、Ｇ、Ｂフィルターそれぞれを画素電極５と整列させてあり、隣接するＲ、Ｇ、Ｂフィルター（画素）３つで１つのカラー表示単位２１を構成している。

この場合は、反射散乱ホログラム４は、上記のように、白色の散乱をするように構成されたものであり、外光中の入射角θで入射する成分１５は、ガラス基板１、カラーフィルター２０、ＩＴＯ膜２を経て、ＴＦＴ７のスイッチングにより画素電極５とＩＴＯ膜２の間に電圧印加がされて透過状態にある画素の液晶層３を透過し、反射散乱ホログラム４により角度（視角）α内に反射散乱され、再度液晶層３、ＩＴＯ膜２、カラーフィルター２０、ガラス基板１を通って、その画素のカラーフィルター２０の色の光が視角α内にある観察者の目に達する。

したがって、カラー表示単位２１中の画素Ｒ、Ｇ、Ｂの変調状態の組み合せによって３つの色の光の加法混色により任意の色が任意の輝度で表示可能になり、２次元的に配置されたカラー表示単位２１の組み合わせで、観察者が最も頻繁に画面を見る角度αの範囲内で、表示輝度を向上させた明るいカラー画像表示が可能になる。

次に、図１のような配置において、反射散乱ホログラム４にカラーフィルターの機能を兼用させて、図４のようなカラーフィルター２０を用いない例について、図５の断面図を用いて説明する。観察側から、ガラス基板１、対向共通透明電極を構成するＩＴＯ膜２、相転移型ゲストホスト液晶等の液晶層３、カラーフィルター兼用の視角が制限された反射散乱ホログラム２４、反射板兼画素電極５、絶縁層６、ＴＦＴ７、ガラス基板８からなり、各画素電極５は絶縁層６を介して各ＴＦＴ７に接続されており、ＴＦＴ７の状態により画素電極５とＩＴＯ膜２の間に画素毎に選択的に電圧印加制御が可能になっている。

ここで、カラーフィルター兼用の視角が制限された反射散乱ホログラム２４は、図６（ａ）に示すように、例えば、Ｒ波長域内にある波長の参照光１２Ｒと照明光１３Ｒを用い、図２と同様な配置で、しかも、ホログラム感材１０の露光域をＲ画素の位置に制限する開口板２５Ｒをホログラム感材１０の両側に配置して（図６では、片方の開口板２５Ｒのみを図示してある。以下、同様）、そのＲ画素の位置にＲ波長域内にある波長の光のみを反射散乱回折する反射散乱ホログラムを記録する。同様に、図６（ｂ）に示すように、ホログラム感材１０の露光域をＧ画素の位置に制限する開口板２５Ｇをホログラム感材１０の両側に配置して、Ｇ波長域内にある波長の参照光１２Ｇと照明光１３Ｇを用い、同様な配置でＧ画素の位置にＧ波長域内にある波長の光のみを反射散乱回折する反射散乱ホログラムを記録する。同様の記録をＢ画素の位置にＢ波長域内にある波長の光のみを反射散乱回折する反射散乱ホログラムを記録する。この３回の記録を行って作製されたホログラムが図５のカラーフィルター兼用の視角が制限された反射散乱ホログラム２４である。なお、Ｒ、Ｇ、Ｂ画素がストライプ型配置の場合は、開口板２５Ｒ、２５Ｇ、２５Ｂは同じ１枚の開口板を１画素ずつずらして用いればよい。

図５に戻って、カラーフィルター兼用の視角が制限された反射散乱ホログラム２４のＲ、Ｇ、Ｂフィルターそれぞれは画素電極５と整列させてあり、隣接するＲ、Ｇ、Ｂフィルター（画素）３つで１つのカラー表示単位２１を構成している。この場合、外光中の入射角θで入射する成分１５は、ガラス基板１、ＩＴＯ膜２を経て、ＴＦＴ７のスイッチングにより画素電極５とＩＴＯ膜２の間に電圧印加がされて透過状態にある画素の液晶層３を透過し、反射散乱ホログラム２４によりその画素位置の波長の光のみが角度（視角）α内に反射散乱され、再度液晶層３、ＩＴＯ膜２、ガラス基板１を通って、その画素の反射散乱ホログラム２４の反射散乱波長の色の光のみが視角α内にある観察者の目に達する。

したがって、カラー表示単位２１中の画素Ｒ、Ｇ、Ｂの変調状態の組み合せによって３つの色の光の加法混色により任意の色が任意の輝度で表示可能になり、２次元的に配置されたカラー表示単位２１の組み合わせで、観察者が最も頻繁に画面を見る角度αの範囲内で、表示輝度を向上させた明るいカラー画像表示が可能になる。この例の場合は、図４の例と比較して、カラーフィルター２０を用いない分部品点数が少なくてすみ、また、吸収フィルターであるカラーフィルター２０を用いない分明るい表示が可能になる。

次に、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）の３色からなるホログラムカラーフィルターを液晶層の表面側に配置してなる反射型液晶表示装置の例を図７の断面図を参照にして説明する。この実施例の場合、観察側から、ガラス基板１、ホログラムカラーフィルター２８、対向共通透明電極を構成するＩＴＯ膜２、相転移型ゲストホスト液晶等の液晶層３、反射板兼画素電極５、絶縁層６、ＴＦＴ７、ガラス基板８からなり、各画素電極５は絶縁層６を介して各ＴＦＴ７に接続されており、ＴＦＴ７の状態により画素電極５とＩＴＯ膜２の間に画素毎に選択的に電圧印加制御が可能になっている。

ここで、ホログラムカラーフィルター２８は、画素電極５と整列して配置されているＣ、Ｍ、Ｙフィルターの繰り返しからなり、隣接するＣ、Ｍ、Ｙフィルター（画素）３つで１つのカラー表示単位２１を構成している。そして、Ｃフィルターは、入射角θで入射する外光１５中のＲ（赤色）成分を観察者が通常見る角度（視角α）外に反射回折するように構成されており、同様に、Ｍフィルターは、入射角θで入射する外光１５中のＧ（緑色）成分を視角α外に反射回折するように、Ｙフィルターは、入射角θで入射する外光１５中のＢ（青色）成分を視角α外に反射回折するように構成されている。

したがって、外光中の入射角θで入射する成分１５は、ガラス基板１を経てホログラムカラーフィルター２８に入射し、Ｃフィルターの画素においては、Ｒ成分が抜けたＣ成分が、Ｍフィルターの画素においては、Ｇ成分が抜けたＭ成分が、Ｙフィルターの画素においては、Ｂ成分が抜けたＹ成分がそれぞれ通過し、ＩＴＯ膜２を経て、ＴＦＴ７のスイッチングにより画素電極５とＩＴＯ膜２の間に電圧印加がされて透過状態にある画素の液晶層３を透過し、反射板兼画素電極５により所定方向に反射され（反射板兼画素電極５の表面が鏡面の場合は正反射、散乱反射面の場合は反射散乱）、再度液晶層３、ＩＴＯ膜２、ホログラムカラーフィルター２８、ガラス基板１を通って、その画素のフィルターの通過成分の色の光のみが観察者の目に達する。

この例の場合、反射型ホログラム２８の回折角度制限特性を視角制限に利用できないが、カラー表示単位２１中の画素Ｃ、Ｍ、Ｙの変調状態の組み合せによって３つの色の光の加法混色により任意の色が任意の輝度で明るい表示が可能になる。Ｃ、Ｍ、Ｙの加法混色のため色の純度が低下するが、バックライトを用いないで明るい反射型のカラー液晶表示装置を構成することができる。

以下、図５の反射型カラー液晶表示装置の具体例を説明する。

ＴＦＴが形成されたガラス基板上にアクリルをスピンコートより成膜した後、ＴＦＴとのコンタクトホールを形成し、その上にアルミニウムをスパッタリングし、フォトリソグラフィーにより反射電極を形成した。

他方、体積ホログラム用フォトポリマーフィルムを両面からメタルマスク（開口板）で挟み、メタルマスクを１画素ずつずらしながら、６３３ｎｍ（Ｈｅ−Ｎｅレーザー）、５１４ｎｍ（Ａｒレーザー）、４８８ｎｍ（Ａｒレーザー）の露光を順次行い、リップマンホログラムを作製した。このメタルマスクには、１画素ピッチに相当する幅のストライプ状の孔が形成されたものを使用した。露光は、参照光はフィルム表面に法線方向と２０°なすように入射させ、物体光は散乱板からの散乱光がフィルム裏面に略垂直になるように入射させた。以上の操作により、フィルムに直角な方向から２０°の角度で入射した光が最も効率よく正面に反射され、しかも、Ｒ、Ｇ、Ｂの反射特性を有するホログラムのストライプパターンを作製することができた。

このホログラムを上記反射電極面上に整列してラミネートした後、その基板と表示部分にＩＴＯ膜が全面に成膜された基板とを、通常のセル組工程を経て貼り合わせ、相転移型ゲストホスト液晶を間に注入して、ホログラム反射散乱層を反射電極上に有する反射型液晶パネルを作製した。

この反射型液晶パネルの駆動試験を行い、通常の角度方向から表示を観察したところ、従来の偏光板付き反射型パネルとＯＮ状態で比較すると、より明るい表示が得られた。

以上、本発明のホログラムを用いた反射型液晶表示装置をいくつかの実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。また、使用する液晶も相転移型ゲストホスト液晶に限らず、偏光板を用いたり偏光板を用いないでよい各種の液晶、例えば、ＴＮ、ＳＴＮ、反射型ＳＴＮ、電界誘起複屈折モード、Optically Compensated Bendモード、Heilmeier 型ゲストホストモード、二層型ゲストホストモード、αゲストホストモード、コレステリック・ネマチック相転移モード、高分子分散型モード等の液晶を用いることもできる。

以上の説明から明らかなように、本発明のホログラムを用いた反射型液晶表示装置によると、制限された反射散乱角内に回折する反射散乱ホログラム層を備える場合には、その反射散乱角が任意に設定できるので、反射型液晶表示装置の用途に最も適した視角特性を得ることができる。また、制限された反射散乱角内に回折する反射型カラーフィルター兼用の反射散乱ホログラム層を備える場合には、それに加えて、カラーフィルタを使用することなく反射型液晶表示装置の反射輝度を向上させて、明るいカラー画像が得られる。さらに、液晶層の観察側に、隣接する画素間で所定の入射角で観察側から入射する光中の異なる波長成分を観察域外に反射回折する反射型ホログラム層を備える場合には、Ｃ、Ｍ、Ｙの加法混色により明るい反射型カラー液晶表示装置を構成することができる。

本発明によるホログラムを用いた反射型液晶表示装置の第１の実施例の断面図である。 図１の反射型液晶表示装置に用いる反射散乱ホログラムの撮影のための配置を示す図である。 図２の配置によって得られた反射散乱ホログラムの作用を説明するための図である。 図１の反射型液晶表示装置を反射型カラー液晶表示装置に構成した実施例の断面図である。 本発明によるホログラムを用いた反射型液晶表示装置の第２の実施例の断面図である。 図２の反射型液晶表示装置に用いる反射散乱ホログラムの撮影のための配置を示す図である。 本発明によるホログラムを用いた反射型液晶表示装置の第３の実施例の断面図である。

符号の説明

１…ガラス基板
２…ＩＴＯ膜
３…液晶層
４…反射散乱ホログラム
５…反射板兼画素電極
６…絶縁層
７…ＴＦＴ
８…ガラス基板
１０…体積ホログラム感材
１１…散乱板
１２…参照光
１２Ｒ…Ｒ波長域内にある波長の参照光
１２Ｇ…Ｇ波長域内にある波長の参照光
１３…照明光
１３Ｒ…Ｒ波長域内にある波長の照明光
１３Ｇ…Ｇ波長域内にある波長の照明光
１４…散乱光
１５…外光
１６…回折光
２０…カラーフィルター
２１…カラー表示単位
２４…カラーフィルター兼用の視角が制限された反射散乱ホログラム
２５Ｒ…露光域をＲ画素の位置に制限する開口板
２５Ｇ…露光域をＧ画素の位置に制限する開口板
２８…ホログラムカラーフィルター

Claims (2)

1. 画素毎に区切られた画素電極と共通電極の間に挟持され、画素毎に透過率が制御可能な液晶層を備えた反射型液晶表示装置において、画素がＣ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）の３色からなるホログラムカラーフィルターを液晶層の観察側に配置し、隣接する画素間で所定の入射角で観察側から入射する光中の異なる波長成分を観察域外に反射回折する反射型ホログラム層を備えていることを特徴とするホログラムを用いた反射型液晶表示装置。
2. 前記液晶層が相転移型ゲストホスト液晶からなることを特徴とする請求項１記載のホログラムを用いた反射型液晶表示装置。

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