JP4176232B2 - 液晶装置およびディスプレイ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶装置および液晶装置を含む液晶ディスプレイに関しており、このようなディスプレイは、低電力機器に使用され、あるいは背面照射型ディスプレイが見づらくなる晴天の屋外のような明るい環境で使用される反射型ディスプレイを含む。
【0002】
【従来の技術】
周知の反射型液晶ディスプレイは、直線偏光板と反射板との間に液晶層を含んでいる。液晶層は、偏光板からの偏光が直線偏光で反射板に入射する第1の状態と、偏光板からの光が円偏光で反射板に入射する第2の状態とで切り替わることができる。直線偏光された光は、反射板に入射すると、その偏光方位を効果的に変えることなく反射される。このモードにおけるディスプレイあるいはディスプレイの絵素(画素)は反射しており、明るい。第2のモードでは、円偏光された光が円偏光の反対の向きに反射板で反射される。この場合、ディスプレイあるいは画素は暗くなる。液晶層は、電界を印加しない状態で直線偏光を得ることができる。この場合、ディスプレイはノーマリホワイト型である。また、液晶層は、印加電界のない状態で円偏光を得ることができる。この場合、ディスプレイはノーマリブラック型である。
【0003】
このタイプの周知のディスプレイは、ツイストネマティック液晶層を含んでいる。Beynonらは、Proceeding of the International Display Research Conference, 1997, L-34 で、このタイプのディスプレイに適用し、液晶層によって円偏光を得るのに必要なリタデーション、ねじれ、配向方向の液晶パラメータの値を導き出している。これらのパラメータの組のほとんどは、液晶層にかかる電界が無限大に近づくにつれてディスプレイの明るさが漸近的に最大値に近づくというものである。したがって、有限の印加電界では最も明るい白状態を得ることができない。
【0004】
米国特許第5,490,003 号とYang, Euro Display 1996, pp449には、最大の明るさを得ることができる構成が開示されている。しかしながら、この構成では多少色の暗い状態があり、最も明るい状態は比較的高い電圧で起こる。
【0005】
このタイプのねじれのない液晶ディスプレイにおいても、有限印加電界では最も明るい白状態を得られないという同様の問題がある。米国特許第4,767,190 号に、このタイプの構成が開示されており、付加された比較的低いリタデーションの固定位相差板が、その光学軸とねじれのない液晶層の光学軸とが交差するように光学的に液晶層に近接して配されている。したがって、付加位相差板のリタデーションは、液晶層によって与えられたリタデーションから効果的に減じられ、有限印加電界で最も明るい白状態を得ることができる。しかしながら、この技術では、ねじれ液晶ディスプレイには適用することができない。なぜなら、ディレクタの方向、すなわち光学軸が方位角的に変化するので、リタデーションを完全に相殺することができない。
【0006】
高いコントラスト比(最大の反射状態におけるディスプレイによって反射された光と最も暗い状態におけるディスプレイによって反射された光の比)を得るためには、暗状態は可能な限り収色的にする必要がある。そのためには、暗状態を得るときに、反射板に入射する光を、最もたくさんの可視スペクトルを得るために可能な限り完全に近い状態で円偏光する必要がある。暗状態の収色性を向上させるためには、特別な位相差板を、ねじれ液晶層と光学的に直列に、一般的には液晶層と直線偏光板との間に設けることが知られている。例えば、WuらによるAppl. Phys. Lett., 1996, Vol. 68, pp1455に開示されているように、収色的4分の1波長位相差板を偏光板とねじれ液晶層との間に設けることが知られている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ディスプレイや画素の暗状態においては、ディスプレイの収色性が収色的4分の1波長位相差板によって決まるように、位相差板からの光の偏光に対する液晶層の影響を最小にしなければならない。明状態において、液晶層は、4分の1波長位相差板によって得られた円偏光を直線偏光に変換する。しかしながら、無限電圧では、液晶層のリタデーションがゼロになるので、暗状態の収色性を損なうリタデーションが残り、極力最良の暗状態を得るためには可能な限り高い電圧が必要になる。さらに、ほとんどの4分の1波長位相差板は複数の位相差板の組み合わせによって形成されるので、通常、4分の1波長板よりも円偏光板となり、問題がより複雑になる。
【0008】
ねじれ液晶層の場合、残余リタデーションという問題の唯一の例外は液晶層のねじれが90°の場合である。この場合、電圧、すなわち液晶層にかかる印加電界が所定の値を超えると、液晶層の表面部分が互いにほぼ相殺し合う(液晶層の両面のプレティルトが同じと仮定する)。例えば、Wu et al, Appl. Phys. Lett., 1996, Vol.68, pp1455には、収色的位相差板を含むこのタイプのツイストネマティック液晶ディスプレイが開示されている。しかし、このようなディスプレイは、かなり大きいリタデーションがあるものの液晶のねじれが90°ではないディスプレイほどには明るい白状態を得ることはできない。
【0009】
なお、上述の「光学軸」とは複屈折物質の低速軸のみを指す。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1の液晶装置は、上記の課題を解決するために、ノーマリホワイトモードで動作するアクティブマトリクス型の液晶装置において、第1表面において第1方向に向けられた第1表面ディレクタ方向と第2表面において第2方向に向けられた第2表面ディレクタ方向とを有し、上記第1方向が、上記第2方向とは異なり、かつ上記第2方向に対して垂直でないねじれ液晶層と、上記ねじれ液晶層への第1有限電界の印加によって残余リタデーションが補償されるように配置され、2分の1波長板と、リタデーションがx・(λ/4)であり、かつパラメータxの値が選択可能(x≠1)である位相差板とからなり、上記第1および第2方向のなす角の二等分線とほぼ平行またはほぼ垂直な光学軸を有する収色的組み合わせ位相差板と、上記ねじれ液晶層を通過する光を反射する反射板とを備え、上記位相差板および上記ねじれ液晶層が直線偏光板と上記反射板との間に配置されていることを特徴としている。
【0011】
上記の位相差板は、請求項2に記載のように、残余リタデーションとほぼ等しいリタデーションを有し、上記位相差板の光学軸は上記二等分線とほぼ垂直であってもよい。
【0012】
上記の「二等分線」とは、本来は、従来の数学的意味合いで用いられる。つまり、第1および第2方向間の角度に含まれて等角に離れた方向を意味する。また、ここでの「表面ディレクタ方向」とは、表面ディレクタ方向が表面プレティルトのないときのディレクタの方向であるように、液晶層の配向平面に投射されたその配向平面におけるディレクタの向きとして定義される。また、表面ディレクタ方向(SDO)は(SDO±π)と等しい。このように、第1および第2方向ならびに二等分線は、液晶装置の光学軸と垂直な共通面にある。
【0013】
上記位相差板としては、請求項3に記載のように、リタデーションがλ/4に対し残余リタデーションだけ異なる波長板を用いてもよい。ここでは、λは装置の作業波長である。また、請求項4に記載のように、上記位相差板のリタデーションをλ/4と残余リタデーションとの合計とほぼ等しくし、位相差板の光学軸を第1および第2ディレクタの二等分線とほぼ垂直にしてもよい。さらに、請求項5に記載のように、位相差板のリタデーションをλ/4と残余リタデーションとの差とほぼ等しくし、位相差板の光学軸を第1および第2ディレクタの二等分線とほぼ平行にしてもよい。
【0014】
液晶層におけるねじれ方向は、液晶層を光が伝搬する方向に液晶のディレクタが時計回りにねじれる場合は正方向であるとし、反時計回りにねじれる場合は負方向とする。
【0015】
上記位相差板は、請求項6に記載のように、液晶層と少なくとも一枚のλ/2 板との間に配置されてもよい。
【0016】
また、請求項7に記載のように、液晶層に第1印加電界とは異なる第2有限電界を印加することによって、液晶層はλ/4とほぼ等しいリタデーションを得ることができる。ここで、λは液晶装置の作業波長である。上記の第2印加電界は、液晶層における電位差をゼロにする。
【0017】
第1印加電界は、請求項8に記載のように液晶層における電位差を7V以下にしてもよい。
【0018】
液晶層は、請求項9に記載のように均質に配向されていてもよい。
【0019】
液晶層は、請求項10に記載のように画素化されていてもよい。
【0020】
位相差板および液晶層は、請求項11に記載のように、直線偏光板と反射板との間に設けられていてもよい。位相差板は、請求項12に記載のように、上記ねじれ液晶層と4分の1波長板との間に設けられていてもよい。
【0021】
本発明の請求項13に記載のディスプレイは、請求項1ないし12のいずれかの液晶装置と、上記液晶装置に入射する光を偏光する偏光手段と、
上記ねじれ液晶層に印加する電圧を制御する制御手段とを備えている。
【0022】
以上のように、ねじれ液晶を位相差板として使用し、選択された有限電圧でリタデーションをほぼゼロにできる装置を提供することが可能になる。例えば、ねじれ液晶を有する一板偏光方式反射型ディスプレイの場合、そのコントラスト比が、周知のこのタイプのディスプレイに比べファクター2〜10高くなる。この装置は、どのような選択電圧が液晶層に印加されても、収色性の優れた暗状態を得ることができる。例えば、装置をアクティブマトリクス駆動する場合、暗状態は5V未満の印加電圧によって得ることができる。
【0023】
反射型ディスプレイは、消費電力が少ないため、低電力機器によく使用される。例えば、反射型ディスプレイでは、バックライトが不必要なので、バックライトによる電力消費を抑えることができる。位相差板のリタデーションが増加すると、暗状態を得るための電圧は低くなる。これによって、このタイプのディスプレイの駆動電圧をできるだけ低くすることができる。その結果、このタイプのディスプレイの消費電力を減少することができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について図1ないし図27に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【0025】
なお、図面においては、同様の部品には同じ参照番号が付記されている。
【0026】
図1は、システムの各素子の光学軸の基準方向を定義する1で示された直線偏光を有する入力光を用いるシステムを示している。このシステムは、それぞれリタデーションβを有する第1および第2位相差板2・3を備えている。第1位相差板2の光学軸は基準方向に対して角度θとなるよう配置され、第2位相差板3の光学軸は第1位相差板2の光学軸に対して角度φとなるよう配置されている。したがって、第1および第2位相差板2・3の光学軸は光学軸の二等分線4に対しての角度がそれぞれ−φ/2、+φ/2となるように配置されている。最終的にシステムは、リタデーションγを有する位相差板5を備えることになる。位相差板5は、光学軸が(θ+(φ/2)±90)の角度で、すなわち、二等分線4と垂直になるよう配置されている。
【0027】
図1に示されたシステムの楕円率は、ジョーンズマトリクスから算出することができる。例えば、1984年にJohn Wileyが出版したYariv らによる「Optical Waves In Crystals 」に開示されているように、ゼロ値は直線偏光を示し、±1の値は円偏光を示し、中間値は位相差板5から位相差板3を通って図1のシステムを通過する光の楕円率の程度を示している。位相差板5のリタデーションγは2・β・cos φと等しい。
【0028】
図2(a)は、θ=75°、φ=45°であるときの、550nmの波長でのリタデーションに対する楕円率を示している。これらのパラメータは、βを変更することによって、楕円率を最も急速にゼロから逸れさせるものである。図2(a)の実線で示された曲線は、この作用を図1のシステムから位相差板5を省略した場合について示し、破線はこの作用を図1に示されたシステムについて示している。このように、それぞれの位相差板2・3のリタデーションβが大きくなると、楕円率はゼロから逸れる。しかしながら、βの値が小さいと、この逸れは比較的小さい。事実、全ての位相差板の方向の組み合わせにおいて、リタデーションβが50nm未満の場合、楕円率は0.05未満のままである。
【0029】
図2(b)は、図2(a)に示された曲線と同様の曲線であるが、これらはθ=15°、φ=60°とされた図1に示す種類のシステムに関するものである。同様に、図2(c)はθ=30°、φ=30°とされた図1に示すシステムの楕円率を示している。
【0030】
第1および第2位相差板2・3が、その光学軸が二等分線4の方向と一致するように配置された単一の位相差板と置き換えられた場合、全てのリタデーションの値でゼロの楕円率が得られる。したがって、図2(a)ないし図2(c)は、第1および第2位相差板2・3が、概算では、比較的小さいリタデーションβで光学軸が二等分線4の方向と一致するように配置された単一の位相差板と等しくなるということを示している。
【0031】
図3は、それぞれの第1および第2位相差板2・3がねじれ液晶層6と置き換えられたシステムを示すものである。液晶層6は、ネマティック液晶を含んでいる。このタイプの液晶としては、例えばメルク製のZLI−4792が知られている。液晶層6は、ねじれ角φ=30°と、入力偏光に対してφ=30°で配向された入力ディレクタを持つ(図2(c)場合と等しい)。したがって、位相差板5の光学軸は、−45°で配向されている。表面ディレクタ方向9・10は、二等分線4とともに液晶層6の表面7・8に示されている。位相差板5は、リタデーションγを持つ。液晶層6は、リタデーションが250nmとなるような厚みを持っている。
【0032】
非添加ねじれ液晶において、電圧がしきい値電圧を超えて増大するとともに、ディレクタ中間面内チルトが増大するほど、中間面内の2つの領域のいずれの側も、それらがあかたも分離した2つの同じ位相差板であるかのようにみせる「光学的非結合」であると考えられる。
【0033】
図3のシステムの最小楕円率は、位相差板5のリタデーションγの関数として算出される。ここで、最小楕円率が得られるときの液晶層6にかかる電圧に注目する。位相差板5のリタデーションが液晶層6の有限電圧における残余リタデーションを相殺するとき、楕円率はゼロとなる。ゼロからの逸れは、位相差板5が液晶層6の残余リタデーションを完全に相殺していないということを意味している。
【0034】
図4に、単一波長でのリタデーションγを楕円率をゼロにする電圧の関数として示す。図5は、液晶層6からの直線偏光の方位角をリタデーションγの関数として示している。位相差板5のリタデーションが大きくなると、楕円率をゼロにする電圧は低くなる。しかしながら、リタデーションγが大きくなると、次の2つのことが起こる。第1に、いくつかのγの値で楕円率の値がゼロ表示からずれて、位相差板5が液晶層6の残余リタデーションをもはや補償することができなくなる。第2に、元の方向からの偏光状態の方位角のずれが増大する。位相差板5および液晶層6が透過型において用いられる場合、これらの2つの要因は、特に偏光方位の変化のために、液晶装置の性能がγの増大で悪化することを意味している。しかしながら、これらの2つの現象は、反射型においては次の2つの理由によりそれほど重要ではない。第1に、反射型のシステムは、構成部品を通過する光の正逆の経路のために、本来光学対称性を有しており、このことは、光学部品が正しく選択されていれば、楕円率がゼロからずれていても、上記のような際立った効果が生じないことを意味している。第2に、反射型では、直線偏光された光が、方位角の値に関わらず同じ偏光方位で直線偏光された光と同様に反射されることから、反射板での偏光方位がディスプレイの光学性能に関係がない。したがって、反射型装置は、リタデーション値の広い範囲にわたってねじれ液晶層の残余リタデーションを補償することができるというように、透過型装置に対して非常に有利である。
【0035】
図6は、位相差板5と、直線偏光板11と反射板12の間に設けられたねじれ液晶層6を備える反射型液晶ディスプレイを示している。直線偏光板11は、上記の基準方向を定める透過方向1を持つ。ねじれ液晶層6の表面層7の表面ディレクタ方向9は、透過方向1に対して角度θに配向されており、ねじれ液晶層6は表面層8に向かってφの角度でねじれているので、表面層8の配向方向は(θ+φ±mπ)となり、ここではm=0,1である。例えば、図6に示すように、θ=0°,φ=63.6°となる。ねじれ液晶層6は、表面プレティルトにほぼ等しく均質に配向されている。
【0036】
印加電界がゼロで広がっていないディレクタの形態と正方向にねじれたねじれ液晶層6を得るために、配向方向を0°とすることによって表面ディレクタ方向9を得る。この配向方向は、ポリイミド配向膜を0°の方向に沿って布で擦ることによって得られる。しかし、蒸着された酸化シリコンや光配向されたポリマー等、他の配向技術を用いてもよい。表面ディレクタ方向10は、−116.4°の配向方向と、表面層7と同等のプレティルトとによって得られる。あるいは、印加電界がゼロで広がっていないディレクタの形態を得るには、配向方向を180°および63.6°としてもよい。
【0037】
印加電界がゼロで広がったディレクタの形態を得るには、表面ディレクタ方向9・10と対応する配向方向は、それぞれ0°および63.6°、あるいは180°および−116.4°とすることができる。
【0038】
上述のように、ねじれ液晶層6は、ZLI−4792として知られ、電界を印加しない状態でリタデーションが250nmとなるような厚みを持つネマティック液晶を含んでいる。しかしながら、正の誘電異方性を持ち、面外でスイッチングするネマティックタイプの液晶であれば他の液晶を使用してもよい。
【0039】
位相差板5としては、Nitto 製のNRZタイプのものを使用することができる。
【0040】
上述のように、位相差板5は表面ディレクタ方向9・10の二等分線と垂直な光学軸を持つ。したがって、光学軸αの方向は、(θ+φ/2)±90)によって得ることができ、図6に示すように−58.2°となる。
【0041】
図7は、位相差板5が省かれた、図6に示されたノーマリブラックタイプのディスプレイにおける反射輝度(光源D65)をねじれ液晶層6に印加された電圧の関数として示している。図7の曲線は、ねじれ液晶層6に印加された電圧が高くなると反射率が漸近的に最大値1に近づくことを表している。したがって、最大反射率は有限電圧では得られない。図8は、位相差板5を備える図6に示されたディスプレイについて、図7と同様の曲線を示している。リタデーションが20nmの位相差板5には、有限電圧でねじれ液晶層6の残余リタデーションを補償し、5.1Vの電圧で最大反射率を得るという効果がある。最大反射率が得られる実際の電圧は、位相差板5のリタデーションを変えることによって変化する。例えば、位相差板5のリタデーションを大きくすると電圧は低くなる。
【0042】
図7に示された性能と比較すると、ディスプレイの暗状態は位相差板5によって悪影響を受けている。なぜなら、位相差板5の存在によって、ディスプレイが暗状態のとき、反射板12での偏光が円偏光というよりもむしろ楕円偏光になるからである。しかしながら、暗状態の性能は、反射状態の良好な明るさを維持しながら、ねじれ液晶層6が直線状態を円状態に変換するよりも楕円状態を円状態に変換するように、ねじれ液晶層6のパラメータを変更することによって向上させることができる。
【0043】
図9のグラフは、図8と同様に、液晶のパラメータが変更された図6のディスプレイを示すものである。この場合、ねじれ角φが57.5°であり、電圧がゼロのときのねじれ液晶層6のリタデーションは212.4nmである。位相差板5のリタデーションは20nmであり、その光学軸は−61.25°に向けられている。最大反射率は、電圧が6.0Vのときに得られるが、ねじれ液晶層6にかかる電圧が4.7Vになると反射率が0.99よりも大きくなる。しかしながら、暗状態の性能は向上し、図7に示す反射率と同様の反射率が得られる。したがって、ディスプレイのコントラスト比は図7の場合よりも向上する。
【0044】
図10は、φ=63.6°,θ=8°,α=−66.2°であり、印加電圧がゼロでねじれ液晶層6のリタデーションが242.1nmとなる図6に示されたディスプレイの性能を示している。コントラスト比性能は、図9に示されたものと同等であるが、この場合、最大反射率は6.3Vの電圧で得られる。
【0045】
図9および図10に示された性能のパラメータは、位相差板5が省かれた図6に示すタイプのディスプレイと同様の暗状態性能を提供する。しかしながら、最も明るい明状態は、例えば図18に示すアクティブマトリクス駆動のためのドライバ26で発生するねじれ液晶層6への印加電圧によって得られる。ディスプレイのパラメータを適宜調整することによって、性能を特定の用途に合わせて最適化することができる。例えば、有限電圧あるいは従来の駆動電圧での最も明るいディスプレイの明るさを明るくすることができ、そして/あるいは、暗状態の暗さを暗くすることができる。同様に、赤、緑、青の画素を含むディスプレイにおいては、各色ごとにオン状態電圧を最適化できるので都合がよい。
【0046】
上述の複数組のパラメータは、無限にある組の内の数例である。
【0047】
図11に示すディスプレイは、位相差板5が2分の1波長板15とリタデーションがx・λ/4である位相差板6とからなる収色的組合わせ位相差板に置き換えられている点において図6に示すディスプレイと異なっている。ここで、xの値は選択可能なパラメータである。表面ディレクタ方向9・10は、上述のように方向付けられているが、2分の1波長板15および位相差板16の光学軸は基準方向に対してρとψとなるよう向けられている。例えば、2分の1波長板15ではリタデーションは270nmに近く、ρ=15°とすることができ、位相差板16では、リタデーションは135nmに近く、ψ=75°とすることができる。ねじれ液晶層6は、電圧がゼロのときのリタデーションが240nmであり、θ=40°,φ=70°の上述のZLI−4792を含むことができる。表面ディレクタ方向9は、配向方向を40°とし、表面ディレクタ方向10を−70 °とすることで、印加電界がゼロの状態で、ひろがりがなく、70°のねじれを得る。しかしながら、Beynonらが開示したいずれかの解答に近いパラメータの液晶層を使用することも可能である。θ=40°のとき、最適な明状態は得られるが、θは明状態の色度に対する影響が比較的小さいのであればどのような値をとってもよい。2分の1波長板15と位相差板16としては、Nitto 製のNRZタイプの位相差板を使用することができる。
【0048】
xが1のとき、2分の1波長板15および位相差板16は従来の収色的位相差板を含む。このような位相差板を使用するディスプレイの反射性能を図12に示す。ねじれ液晶層6にかかる電圧が高くなると、反射率はゼロに近づき、有限駆動電圧では最小反射率を得ることができない。
【0049】
図13は、位相差板16のリタデーションが4分の1波長よりも小さい、つまり、135nmよりも20.6nmだけ小さい、すなわちx≒0.847である図11のディスプレイにおける反射率を示している。ここでは、暗状態の反射率は4.75Vの電圧で最小になる。明状態の最大反射率は、図12に示された性能と比べると劣るが、駆動電圧が5V未満でのディスプレイのコントラスト比は約20:1から95:1に向上した。
【0050】
図14は、ねじれ液晶層6の液晶パラメータを変更することによって得られる性能の改善を示している。この場合、位相差板16のリタデーションは4分の1波長(135nm)よりも27.5nm小さくなり、(x≒0.796)、φ=65°、θ=42.5°であり、ねじれ液晶層6のリタデーションは257nmである。暗状態の性能は、図13で示された性能と同様であるが、明状態の性能は大幅に向上し、図12に示された性能に近くなる。コントラスト比は100:1よりも高くなり、最大の暗状態反射率はねじれ液晶層6に4.78Vの電圧を印加することによって得られる。また、明状態の色度は、図13に示す性能と比べると向上している。
【0051】
液晶装置における全ての他の角度の符号が逆である場合、図12ないし図14に対応する同一の光学性能は、負の液晶ねじれを用いることによって達成される。図11に示すディスプレイでは、ねじれ液晶層6のねじれ方向は正方向、つまり、表面7から表面8に向かって時計回りにねじれている。負方向、すなわち、反時計回りのねじれも適用することができるが、正方向のねじれの方がさらに収色的な明状態を提供する。
【0052】
ねじれ液晶層6は、どちらの方向のねじれをも持つことができるが、ねじれの方向が位相差板の光学軸の基準方向1からずれた角度の方向と同じとき、より収色的明状態が得られる。したがって、図11に示すψ<90°の実施例では、位相差板16の光学軸の基準方向1からのずれは時計回りであり、ねじれ液晶層6は表面7から表面8に向かって時計回りのねじれを持っている。
【0053】
図15に示すディスプレイは、位相差板16の光学軸が表面ディレクタ方向9・10の二等分線と垂直になるように2分の1波長板15および位相差板16の光学軸が90°回転させられているという点において図11に示すディスプレイと異なっている。表面ディレクタ方向9・10は、配向方向をそれぞれ130°、240°とすることによって得ることができる。位相差板16のリタデーションは、4分の1波長よりも17nm大きい、すなわち、x≒1.126である。この構成での反射率は図16に示されており、最大の暗状態反射率は電圧が5.5Vのときに得られ、コントラスト比は100よりも高くなる。
【0054】
図15に示す実施例では、ψ>90°であり、位相差板16の光学軸は基準方向1から反時計回りに(180°−ψ)ずれている。より収色的な明状態を得るために、ねじれ液晶層6は表面7から表面8に向かって反時計回りのねじれを持っている。
【0055】
図17は、図12と比較してON状態電圧の減少を調べるために、位相差板16のリタデーションが4分の1波長(135nm)よりも75nm小さくされた図11に示すディスプレイの反射率を示している。暗状態の反射率は3.45Vで最小となっている。液晶のパラメータはここで得られる最も明るい状態を回復するために、θ=45°、φ=60°であり、ねじれ液晶層6のリタデーションが316nmとなるよう変更されている。
【0056】
ZLI−4792よりも低いしきい電圧、かつ薄膜トランジスタによって低電圧駆動に最適化された他の液晶を使用することもできる。このような液晶材料の一例としては、メルク製のMLC−6476を挙げることができる。明状態、暗状態電圧が、このように低下する結果、消費電力が低下する。例えば、MLC−6476を使用すると、図16の暗状態電圧が4.0Vとなる。
【0057】
図18は、アクティブマトリクス型カラーディスプレイパネルの構成を図解的に示している。このディスプレイパネルは、例えばガラス製の、基板20・21を備えている。基板20は、反射板12として機能するマイクロ反射構成(MRS)の画素電極を含んでいる。各画素電極は、行および列アドレス電極(図示せず)に接続された薄膜トランジスタ(TFT)素子24に接続されている。行および列電極は、薄膜トランジスタのためのゲートおよびソース電極に対応していてもよい。
【0058】
基板21は、平面電極22を備えており、位相差板5は偏光板11と基板21との間にリタデーションフィルムを備えている。マイクロカラーフィルタ23は、赤(R),緑(G),青(B)のフィルタを含んでおり、ねじれ液晶層6と基板21との間に配置されている。図18に示すディスプレイパネルの光学素子の配置は、図6に示すディスプレイと対応している。
【0059】
図19は、図6に示すディスプレイと同様の基本型のディスプレイを示しているが、このディスプレイは、動作モードをノーマリブラックからノーマリホワイトに変えるために4分の1波長板17を含むよう変更されている。4分の1波長板17は、基準方向1に対する角度δが45°となるように光学軸18が配向されている。4分の1波長板17のリタデーションは約137.5nmである。
【0060】
なお、4分の1波長板17は、ねじれ液晶層6と反射板12との間に設けられていてもよい。
【0061】
本実施例では、位相差板5の光学軸は基準方向1に対する角度αが58.75°となるように方向づけられており、リタデーションは20nmである。ねじれ液晶層6の表面7の表面ディレクタ方向9は基準方向1に対する角度θが120°になるように方向づけられており、ねじれ液晶層6のねじれ角φは57.5°となっている。表面ディレクタ方向9・10は、それぞれ配向方向を120°、−2.5°とすることにより得られる。印加電界のない状態では、ねじれ液晶層6のリタデーションは212.4nmとなる。
【0062】
続いて、以下に、ねじれ液晶層6にメルク製のMLC−6476タイプの液晶が使用された場合について説明する。
【0063】
図20に示すように、図19のディスプレイの反射率は、電圧がゼロVあるいはゼロに近い値のときにほぼ最大値となり、電圧が7.5Vではっきりとはしないが最小値となる。また、良好な暗状態は、ほぼ5Vより高い電圧で得られる。最小反射率は、特に低くはないが、特に収色的ではない4分の1波長板17によって決まる。
【0064】
上述のように、明状態を最適化するのに必要な位相差板5のリタデーションの増大およびねじれ液晶層6のパラメータの変更によって、暗状態電圧をさらに低下させることができる。さらに、収色的真4分の1波長位相差板を4分の1波長板17の代わりに使用することによって、最小反射率を小さくすることができる。
【0065】
比較のため、図21に位相差板5が省かれた図19に示すタイプのディスプレイの反射率を示す。図20に示す図19のディスプレイの性能と比較して、このディスプレイの暗状態性能は大幅に劣っている。
【0066】
図22は、ねじれ液晶層6の残余リタデーションを補償するために図19の固定位相差板5を使用する代わりに、4分の1波長板(図22では5)のリタデーションを変更したノーマリホワイトディスプレイを示している。4分の1波長板5の光学軸は、再び基準方向に対する角度αが45°となるように方向付けられているが、リタデーションは175nm(すなわち、約λ/4+40nm)に変更されている。ねじれ液晶層6の表面7の表面ディレクタ方向9は107.5°に方向付けられており、ねじれ液晶層6は、55°のねじれ角φを持ち、電界がねじれ液晶層6に印加されない状態で237nmのリタデーションを持つ。表面ディレクタ方向9・10は、それぞれ107.5°、−17.5°の配向方向によって得ることができる。
【0067】
図23に、図22のディスプレイの反射率を示す。より大きな残余リタデーションを補償するため、図20より低くなる電圧が4.46Vのときに最小反射率となる。ねじれ角の二等分線が位相差板5の光学軸にほぼ平行となるように、位相差板5のリタデーションを約95nm(すなわち約λ/4−40nm)に減少させるとともに、ねじれ液晶層6を配向することによって、同様の結果が得られる。液晶リタデーションおよびねじれ角は、前述のように、明状態を回復するためにわずかに変更される必要がある。
【0068】
ここに開示された技術は、欧州特許出願No.97308853.7に開示されたねじれ液晶層をスイッチング素子として含む装置に応用することができ、その内容は参考として本出願に組み入れられている。例えば、図24は、欧州特許出願No.97308853.7の図14に示されたタイプの装置を示している。位相差板17の光学軸18は、基準方向1に対する角度δが15°となるよう方向付けられ、リタデーションは222.7nmである。表面ディレクタ方向9は、角度θが32.5度の方向に向いており、ねじれ液晶層6は63.6°のねじれ角φと、152.5nmのリタデーションを持つ。表面ディレクタ方向9・10は、それぞれ32.5°、−83.9°の方向付けによって得ることができる。
【0069】
図25は、図24のディスプレイの反射率性能を示している。最大反射率は、5Vより高い電圧で得られ、ここで得ることができる最大値よりも大幅に小さい。
【0070】
図26は、本発明の一実施例を提供するために位相差板5を含むように変更された図24のディスプレイを示している。位相差板5の光学軸は、基準方向1に対する角度αが−33.2°となるように方向付けられ、リタデーションが50nmである。ねじれ液晶層6のパラメータは、表面ディレクタ方向9が29.5°の角度θに向き、ねじれ液晶層6のねじれ角φが54.6°、かつねじれ液晶層6のリタデーションが208.5nmとなるよう変更されている。表面ディレクタ方向9・10は、それぞれ29.5°、−95.9°の方向付けによって得ることができる。
【0071】
図27は、図26に示すディスプレイの反射率性能を示している。図27および図25に示された性能と比べると、図26のディスプレイにおける5Vで得られる反射率の最大値はかなり高くなっている。したがって、図26に示すディスプレイの明状態性能およびコントラスト比は図24のディスプレイと比較すると大幅に向上している。
【0072】
本発明の範囲内で様々な変更をすることができる。例えば、視野角を改善するため、前述の位相差板はいずれも二軸性のものであってもよい。本発明において記載された反射型装置が直視反射ディスプレイまたは反射型投射ディスプレイシステムのいずれかで用いられることに適している。直視型ディスプレイにおいて、単一の直線偏光板は、装置の前面での偏光手段として従来より用いられているものである。投射型において、ディスプレイは、光学システムの設計に依存する単一の偏光板または偏光ビームスプリッタを用いてもよい。
【0073】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項1に係る液晶装置は、ノーマリホワイトモードで動作するアクティブマトリクス型の液晶装置において、第1表面において第1方向に向けられた第1表面ディレクタ方向と第2表面において第2方向に向けられた第2表面ディレクタ方向とを有し、上記第1方向が、上記第2方向とは異なり、かつ上記第2方向に対して垂直でないねじれ液晶層と、上記ねじれ液晶層への第1有限電界の印加によって残余リタデーションが補償されるように配置され、2分の1波長板と、リタデーションがx・(λ/4)であり、かつパラメータxの値が選択可能(x≠1)である位相差板とからなり、上記第1および第2方向のなす角の二等分線とほぼ平行またはほぼ垂直な光学軸を有する収色的組み合わせ位相差板と、上記ねじれ液晶層を通過する光を反射する反射板とを備え、上記位相差板および上記ねじれ液晶層が直線偏光板と上記反射板との間に配置されている構成である。
【0074】
本発明の請求項2に係る液晶装置は、請求項1に記載の液晶装置において、上記位相差板が残余リタデーションとほぼ等しいリタデーションを有し、上記位相差板の光学軸が上記二等分線とほぼ垂直である。
【0075】
本発明の請求項3に係る液晶装置は、請求項1に記載の液晶装置において、上記位相差板のリタデーションがλ/4に対し残余リタデーションだけ異なる波長板であり、λが液晶装置の作業波長である。
【0076】
本発明の請求項4に係る液晶装置は、請求項3に記載の液晶装置において、上記位相差板のリタデーションがλ/4と残余リタデーションとの合計にほぼ等しく、上記位相差板の光学軸が上記第1および第2方向についての上記二等分線とほぼ垂直である。
【0077】
本発明の請求項5に係る液晶装置は、請求項3に記載の液晶装置において、上記位相差板のリタデーションがλ/4と残余リタデーションとの差にほぼ等しく、上記位相差板の光学軸が上記第1および第2方向についての上記二等分線とほぼ平行である。
【0078】
本発明の請求項6に係る液晶装置は、請求項1ないし3のいずれかに記載の液晶装置において、上記位相差板が上記ねじれ液晶層と少なくとも1枚のλ/2板の間に配置されている。
【0079】
本発明の請求項7に係る液晶装置は、請求項1ないし6のいずれかに記載の液晶装置において、上記ねじれ液晶層における電位差をゼロにし、かつ上記第1有限電界と異なる第2有限電界を印加されると、λ/4とほぼ等しいリタデーションを生成し、λが液晶装置の作業波長である。
【0080】
本発明の請求項8に係る液晶装置は、請求項1、2、3、4、5、6または8のいずれかに記載の液晶装置において、上記第1有限電界が上記ねじれ液晶層における電位差を7V以下にする。
【0081】
本発明の請求項9に係る液晶装置は、請求項1ないし8のいずれかに記載の液晶装置において、上記ねじれ液晶層が均質に配向されている。
【0082】
本発明の請求項10に係る液晶装置は、請求項1ないし9のいずれかに記載の液晶装置において、ねじれ液晶層が画素化されている。
【0083】
本発明の請求項11に係る液晶装置は、請求項1ないし10のいずれかに記載の液晶装置において、上記位相差板および上記ねじれ液晶層が直線偏光板と反射板との間に配置されている。
【0084】
本発明の請求項12に係る液晶装置は、請求項1、2または7に記載の液晶装置において、上記位相差板が、上記ねじれ液晶層と4分の1波長板との間に配置されている。
【0085】
以上の液晶装置では、ねじれ液晶を位相差板として使用し、選択された有限電圧でリタデーションをほぼゼロにできる装置を提供することが可能になる。この液晶装置は、どのような選択電圧が液晶層に印加されても、収色性の優れた暗状態を得ることができる。また、反射板を用いた構成では、十分低い電圧で最大反射率を得ることができる。また、最大反射率が得られる実際の電圧は、位相差板のリタデーションを変えることによって変化する。例えば、位相差板のリタデーションを大きくすると電圧は低くなる。
【0086】
請求項13に係るディスプレイは、請求項1ないし12のいずれかに記載の液晶装置と、上記液晶装置に入射する光を偏光する偏光手段と、上記ねじれ液晶層に印加する電圧を制御する制御手段とを備えている構成である。
【0087】
例えば、反射型ディスプレイでは、バックライトが不必要なので、バックライトによる電力消費が抑えられるが、位相差板のリタデーションが増加すると、暗状態を得るための電圧は低くなる。これによって、このタイプのディスプレイの駆動電圧をできるだけ低くすることができる。その結果、このタイプのディスプレイの消費電力を減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】2つの小さい位相差板を単一の位相差板で代替するシステムを示す斜視図である。
【図2】(a)ないし(c)は角パラメータを異ならせた図1のシステムにおけるナノメータで表されたリタデーションに対する楕円係数を示すグラフである。
【図3】電圧が印加されたねじれ液晶層が二つの小さな同じ位相差板によって近づけられるシステムを示す図である。
【図4】図3のシステムの楕円率をゼロにする電圧に対するリタデーションを示すグラフである。
【図5】図3のシステムの楕円率をゼロにするリタデーションに対する直線偏光の方位角を示すグラフである。
【図6】本発明の第1実施形態を構成する反射型液晶ディスプレイを示す斜視図である。
【図7】位相差板が省かれた図6に示す種類のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図8】第1組の液晶パラメータに設定した図6のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図9】第2組の液晶パラメータに設定した図6のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図10】第3組の液晶パラメータに設定した図6のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図11】本発明の第3実施形態を構成する液晶ディスプレイを示す斜視図である。
【図12】第1組のパラメータに設定した図11のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図13】第2組のパラメータに設定した図11のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図14】第3組のパラメータに設定した図11のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図15】本発明の第4実施形態を構成する反射型液晶ディスプレイを示す斜視図である。
【図16】図15のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図17】第4組のパラメータに設定した図11のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図18】本発明の第5実施形態を構成するピクセル化された液晶ディスプレイを示す斜視図である。
【図19】本発明の第6実施形態を構成する反射型液晶ディスプレイを示す斜視図である。
【図20】図19のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図21】固定位相差板が省かれた図19に示された種類のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図22】本発明の第7実施形態を構成する反射型液晶ディスプレイを示す斜視図である。
【図23】図19のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図24】欧州特許出願第97308853.7号に記載されている反射型液晶ディスプレイを示す斜視図である。
【図25】図24のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【図26】本発明の第8実施形態を提供するために変形された図24のディスプレイを示す斜視図である。
【図27】図26のディスプレイにおける電圧に対する反射率を示すグラフである。
【符号の説明】
2・3 位相差板
4 二等分線
5 位相差板
6 ねじれ液晶層
7・8 表面(第1および第2表面)
9・10 表面ディレクタ方向(第1および第2表面ディレクタ方向)
11 直線偏光板(偏光手段)
12 反射板
15 2分の1波長板
16 位相差板
17 4分の1波長板
26 ドライバ(制御手段)
Claims (12)
- ノーマリホワイトモードで動作するアクティブマトリクス型である液晶装置において、 第1表面において第1方向に向けられた第1表面ディレクタ方向と第2表面において第2方向に向けられた第2表面ディレクタ方向とを有し、上記第1方向が、上記第2方向とは異なり、かつ上記第2方向に対して垂直でないねじれ液晶層と、
上記ねじれ液晶層への第1有限電界の印加によって残余リタデーションが補償されるように配置され、2分の1波長板と、リタデーションがx・(λ/4)であり、かつパラメータxの値が選択可能(x≠1)である位相差板とからなり、上記第1および第2方向のなす角の二等分線とほぼ平行またはほぼ垂直な光軸を有する収色的組み合わせ位相差板と、
上記ねじれ液晶層を通過する光を反射する反射板とを備え、
上記位相差板および上記ねじれ液晶層が直線偏光板と上記反射板との間に配置されていることを特徴とする液晶装置。 - 上記位相差板が残余リタデーションとほぼ等しいリタデーションを有し、上記位相差板の光学軸が上記二等分線とほぼ垂直であることを特徴とする請求項1に記載の液晶装置。
- 上記位相差板のリタデーションがλ/4に対し残余リタデーションだけ異なる波長板であり、λが液晶装置の作業波長であることを特徴とする請求項1に記載の液晶装置。
- 上記位相差板のリタデーションがλ/4と残余リタデーションとの合計にほぼ等しく、上記位相差板の光学軸が上記第1および第2方向についての上記二等分線とほぼ垂直であることを特徴とする請求項3に記載の液晶装置。
- 上記位相差板のリタデーションがλ/4と残余リタデーションとの差にほぼ等しく、上記位相差板の光学軸が上記第1および第2方向についての上記二等分線とほぼ平行な請求項3に記載の液晶装置。
- 上記位相差板が上記ねじれ液晶層と少なくとも1枚のλ/2板の間に配置されていることを特徴とする請求項3ないし5のいずれかに記載の液晶装置。
- 上記ねじれ液晶層が、上記ねじれ液晶層における電位差をゼロにし、かつ上記第1有限電界と異なる第2有限電界を印加されると、λ/4とほぼ等しいリタデーションを生成し、λが液晶装置の作業波長であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の液晶装置。
- 上記第1有限電界が上記ねじれ液晶層における電位差を7V以下にすることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6または7のいずれかに記載の液晶装置。
- 上記ねじれ液晶層が均質に配向されていることを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の液晶装置。
- ねじれ液晶層が画素化されていることを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の液晶装置。
- 上記位相差板が、上記ねじれ液晶層と4分の1波長板との間に配置されていることを特徴とする請求項1、2または7に記載の液晶装置。
- 請求項1ないし11のいずれかに記載の液晶装置と、
上記液晶装置に入射する光を偏光する偏光手段と、
上記ねじれ液晶層に印加する電圧を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする液晶ディスプレイ。
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