JP4336128B2 - 反射型液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜トランジスタを用いた反射型液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は、薄型・軽量、低消費電力化が可能という特長があり、他の表示ディスプレイに比べ、実用的かつ高性能な表示デバイスであり、現在急成長を遂げている情報通信端末や携帯用途の情報携帯端末・ネットワークＰＣなどに応用されている。しかし、液晶表示装置は、もともと非発光型表示デバイスであるためにパネル背面に高輝度なバックライトを配置しなければならず、現時点では本来のあるべき特長を必ずしも活かし切れていない。
【０００３】
そこで、この解決手段として反射型液晶表示装置がある。反射型液晶表示装置は外光による反射を利用して画像を表示するために、透過型に比べてより薄型で軽量化を図ることができ、特に低消費電力である点で優れている。また、昼光下での優れた画像視認性が得られるという特長がある。更に部品点数が透過型と比べて削減でき、取り替え部品がなく、環境に与える影響が少ないという利点がある。（特許文献１）
【０００４】
これまでの反射型液晶表示装置は、主にモノクロあるいは多色カラー（４〜１６色）の携帯端末の用途に用いられている。そのなかでもカラー化は大きく２つに大別でき、マイクロカラーフィルタを用いてＲＧＢ３ドットでカラー表示する加法混色型と、液晶の複屈折による干渉色を利用する光干渉型とがある。
【０００５】
それぞれの構成及び特長は、以下の通りである。マイクロカラーフィルタを用いてカラー表示する加法混色型では、図１２に示すように、液晶パネルとして従来の透過型ＴＮセルやＳＴＮセルを用い、その両面に偏光板１４を設けると共に、セル背面に拡散反射板１７を配置する構成や、液晶セルの内部に反射電極もしくはセルの外部に反射板を設け、液晶（ホスト）に２色性色素（ゲスト）を混ぜ、電圧制御により光の透過・吸収で表示する構成などが挙げられる。この方式の液晶表示装置は優れた階調表示性や高コントラスト化を実現できる。一方、後者の光干渉型では、偏光板が不要であるために明るく、さらに広視野角な表示が実現できる。また、光干渉型では、一般的に外付け反射板タイプでＳＴＮセルが用いられており、１ドット１画素のマルチカラー表示で光効率性が高く、明るい表示が実現できる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−２１８４０３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年、高度情報通信技術の発達やインフラ整備によって映像及び情報ディスプレイの表示容量が飛躍的に増大し、オフィス内だけでなく、アウトドアでも情報受信、伝達可能な高度情報ネットワークシステムが構築されてきている。将来のマルチメディア端末を想定した場合、携帯端末用途の表示デバイスとして高解像度、フルカラー対応の反射型カラー液晶表示装置が要望される。
【０００８】
しかし、従来の反射型液晶表示装置の構成では、多くの表示性能上の課題が多い。例えばマイクロカラーフィルタ方式では、もともとのカラーフィルタの透過光ロスの問題がある。又透過型ＴＮあるいはＳＴＮセルを用いた場合、図１２に示すように偏光板を２枚使用するために明るさが低下し、かつ液晶層−反射板間のパララックスによる文字ぼけが生じており、高解像度に至ってはますます視認性を損ねてしまう。また、ゲストホスト方式では、電気光学特性にヒステリシスが生じるために階調表示性が難しく、高電圧駆動の問題がある。一方、光干渉型でもＳＴＮセル同様、偏光板による明るさロスの問題や干渉色による表示色数の制限、更に使用温度範囲が狭いなどの問題がある。以上の理由から従来の表示方式では、高解像度、フルカラー対応の反射型液晶表示装置を実現することができない。
【０００９】
本発明は上記のような問題を解決し、高コントラスト、広視野角、高速応答、高反射率の反射型カラー液晶表示パネルを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、画素毎に形成された薄膜トランジスタ及び反射電極を有する薄膜トランジスタアレイ基板と、対向電極が形成された対向電極基板と、前記薄膜トランジスタアレイ基板と対向基板との間に挟持され、ホモジニアスに配向処理された液晶層と、からなる液晶セルと、前記対向電極基板側に積層された正の１軸性または２軸性の位相補償板と、前記位相補償板上に積層された１枚の偏光板と、を具備し、前記位相補償板の位相差及び遅相軸方位は、前記液晶セルを通過した反射光が前記位相補償板を順次通過した後、直線偏光に変調されるよう調整されており、前記偏光板は、その偏光軸が、前記液晶層の光軸方位に対して−４５°または＋４５°の方位となるよう配置され、前記液晶層の液晶は、その誘電率異方性△εが６．５≦△ε≦８．０、屈折率異方性△ｎが０．０７≦△ｎ≦０．０９及び弾性定数比Ｋ３３／Ｋ１１が１．０≦Ｋ３３／Ｋ１１≦２．０の範囲であり、前記液晶セルのセルギャップｄは、３．０μｍ≦ｄ≦３．５μｍの範囲であり、前記液晶層に閾値電圧以上の電圧を印加し、表示駆動することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の反射型液晶表示装置においては、対向電極基板側に積層された正の１軸性または２軸性の位相補償板を少なくとも３枚以上備えることが好ましい。
【００１２】
この位相補償板を３枚として構成した場合、第３の位相補償板の遅相軸を液晶の光軸方位に垂直に配置して、反射電極上で反射された反射光が液晶セル及び第３の位相補償板を順次通過後、円偏光に変調されるよう、第３の位相補償板の位相差を調整する。また、第１及び第２の位相補償板を通過後に直線偏光に変調されるよう、第１及び第２の位相補償板の位相差及び遅相軸方位を調整する。さらに、偏光板の偏光軸は、液晶の光軸方位に対して−４５°又は＋４５°に配置する。
【００１３】
本発明の反射型液晶表示装置によれば、黒表示において波長依存のない低い反射率特性を広い視野角範囲で得ることができるため、画像の高コントラスト化及び広視野角化を実現できる。また、階調表示間で階調反転のない広視野角化も実現することができる。一方、白表示においても高い反射率特性を広い視野角範囲で得ることができ、明るい画像表示を実現できる。また、液晶の配向形態をホモジニアス配向で形成しており、閾値電圧以上で駆動表示するために、階調レベルに関係なく、高速で応答する表示画像を実現することができる。さらに、動作温度に対して黒表示の反射率特性の変化が非常に小さいため、温度変化による画像劣化がなく、高品質な画像表示を実現できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。図１は、反射電極を鏡面体とし、正の２軸性の位相補償板を３枚使用するホモジニアス配向反射型液晶パネルの構成及び白黒動作時の光の偏光状態を示す。図１（ａ）は表示状態が黒表示の場合、図１（ｂ）は白表示の場合を示す。また、図２に、本実施の形態の反射型液晶表示装置に用いられる反射型液晶パネルのパネル構成を、その断面図を用いて示す。
【００１５】
この反射型液晶パネルは、反射電極１を含む液晶セル１６の上面に、第３の位相補償板１３、拡散フィルム１５、第１の位相補償板１１、第２の位相補償板１２、偏光板１４を順に積層して構成される。液晶セル１６は、図２に示すように、ＴＦＴガラス基板３及びその上のアレイチップ２上に反射電極１が形成された薄膜トランジスタアレイ基板と、ＣＦガラス基板４及びその上にカラーフィルタ層９及び対向電極８が形成された対向電極基板と、両電極間でホモジニアス型に配向処理された液晶層７とから構成される。
【００１６】
ここで、第１及び第２の位相補償板１１、１２としては、ポリカーボネート製の高分子フィルムを用い、偏光板１４には、外光反射防止のための低反射表面処理が施された材料を使用する。
【００１７】
ここで、図１を用いて偏光板１４、第２、第１及び第３の位相補償板１２、１１、１３、液晶セル１６の液晶層７を通過する光の偏光状態を説明する。黒表示の場合、図１（ａ）に示すように、直線偏光→楕円偏光→円偏光→円偏光→楕円偏光→円偏光に変化する。帰路は逆に、円偏光から出発して、楕円偏光→円偏光→円偏光→楕円偏光→直線偏光となる。ただし、行路の偏光板１４を通過した後の直線偏光と、帰路で第２の位相補償板を通過した後の直線偏光とは直交するため、黒表示となる。
【００１８】
一方、白表示の場合、図１（ｂ）に示すように行路の偏光状態は、順に直線偏光→楕円偏光→円偏光→円偏光→楕円偏光→楕円偏光となる。帰路は反射電極上の楕円偏光から出発して順次、楕円偏光→楕円偏光→楕円偏光→楕円偏光→楕円偏光となるが、偏光板通過の際、透過成分が生じることで明状態となる。
【００１９】
また、液晶の光軸方向及びそれに垂直方向の屈折率をそれぞれ、ｎｐ、ｎｖとし、また、液晶セルのセル厚をｄ、液晶分子の傾斜角をα、及び、第３の位相補償板１３の遅相軸、進相軸及び厚み方向の屈折率をそれぞれ、ｎx（３）、ｎy（３）、ｎz（３）、それらのフィルム膜厚をＤとすると、ｎx（３）、ｎy（３）、ｎz（３）及びＤは、以下のとおりに設計される。
ｎx（３）＝[（ｎｖ×cosα）2＋（ｎｐ×sinα）2]／ｎｐ
ｎy（３）＝[（ｎｖ×cosα）2＋（ｎｐ×sinα）2]1/2
ｎz（３）＝ｎｖ
Ｄ＝ｎｐ×ｎｖ／[（ｎｖ×cosα）2＋（ｎｐ×sinα）2]×ｄ
また、その遅相軸方位は、液晶光軸に対して垂直な方位に配置される。
【００２０】
第２の位相補償板１２の光学設計は、その遅相軸を液晶の光軸方位に対して＋３０゜または−３０゜の方位に配置され、遅相軸、進相軸及び厚み方向の屈折率をｎx（４）、ｎy（４）、ｎz（４）とすると、
[ｎx（４）−ｎz（４）]／[ｎx（４）−ｎy（４）]＝０．５
を満足するよう作成される。
【００２１】
また、第１の位相補償板１１の光学設計は、その遅相軸を液晶の光軸方位に対して−３０゜（この場合の第２の位相補償板１２の遅相軸方位は＋３０゜とする）または＋３０゜（この場合の第２の位相補償板１２の遅相軸方位は−３０゜とする）の方位に配置される。遅相軸、進相軸及び厚み方向の屈折率をｎx（５）、ｎy（５）、ｎz（５）とすると、
[ｎx（５）−ｎz（５）]／[ｎｘ（５）−ｎｙ（５）]＝０．５
を満足するよう作成される。
【００２２】
一方、偏光板１４の偏光軸は、液晶の光軸方位に対して、＋４５゜または−４５゜の方位に配置される。
【００２３】
次に液晶セルの膜厚ｄと黒電圧及び視角特性について説明する。図３（ａ）は正面を基準として反射率Ｒが５０％となる視角の角度の黒電圧（Ｖ）に対する変化を示し、膜厚ｄとして３．０μｍ，４．０μｍ及び５．０μｍについてのグラフを示す。図３（ｂ）は黒電圧に対するコントラストＣＲが１０以上の角度を示している。反射率及びコントラストの良好な視角特性を得るためには黒電圧の設定が重要となる。黒電圧はパネル消費電力を下げる点からも小さくすることが望ましいが、液晶の閾値電圧よりも大きくする必要がある。そして反射率の視角特性を５０°以上、コントラストの視角特性を６０°以上とするために、液晶セルの膜厚ｄを３．０〜３．５μｍとする。ここで用いた液晶の物理定数はΔε＝３．５、Δｎ＝０．００９０、Ｋ３３／Ｋ１１＝１．５である。尚、Ｋ３３は液晶物性のベンド弾性定数、Ｋ１１はスプレイ弾性定数を示す。
【００２４】
図４（ａ），（ｂ）は屈折率異方性Δｎを０．０７〜０．１５に変えたときの反射率の視角特性及びコントラストの視角特性を示している。この場合も反射率の視角特性を５０°以上、コントラストの視角特性を６０°以上とするために、Δｎを０．０７〜０．０９とする。
【００２５】
図５（ａ），（ｂ）は誘電率異方性Δεを３．５〜８．０に変えたときの反射率の視角特性及びコントラストの視角特性を示している。この場合も反射率の視角特性を５０°以上、コントラストの視角特性を６０°以上とするために、誘電率異方性Δεを６．５〜８．０とする。
【００２６】
又弾性定数の比Ｋ３３／Ｋ１１についても図６（ａ），（ｂ）に反射率の視角特性、図６（ｂ）にコントラストの視角特性を示す。これらの図において反射率の視角特性を５０°以上、コントラストの視角特性を６０°以上とするために、弾性定数の比Ｋ３３／Ｋ１１を１．０〜２．０の範囲としている。
【００２７】
本実施の形態の反射型液晶パネルによれば、黒表示電圧の印加時におけるパネル正面方向の反射率を極力小さくし、波長に対してフラットな特性を得ることができるため、高コントラストな画像を提供することができる。また、液晶の光軸方位に対して視角を傾斜しても液晶パネル全体の位相差がほとんど変化しないために各階調間での反転が生じず、広視野角な画像表示を実現できる。また、液晶パネルの駆動電圧を液晶の閾値電圧以上で使用するために中間調を含む各階調間で高速の応答特性が得られる。一方、高温下においても液晶層のリタデーション変化を最小限に抑えるため、適正な液晶物性値の選択を図り、かつ、黒表示電圧を最適化することでコントラスト、視野角、反射率等の表示品質で温度変化による劣化の影響が小さい画像を実現することができる。
【００２８】
【実施例】
ここで本発明の実施例について説明する。液晶層７として、誘電率異方性△ε＝７．８、屈折率異方性△ｎ＝０．０７４、弾性定数比Ｋ３３／Ｋ１１＝２．０、波長分散比△ｎｄ（α）／△ｎｄ（５５０ｎｍ）を１．１５≦△ｎｄ（α）／△ｎｄ（５５０ｎｍ）≦０．９５の物性値を有する液晶材料を使用し、液晶セルのセル厚ｄをｄ＝３μｍに形成した。また、第３の位相補償板１３の位相差を△ｎｄ（３）、遅相軸をθ（３）とし、第２の位相補償板１２の位相差を△ｎｄ（４）、遅相軸をθ（４）とし、第１の位相補償板１１の位相差を△ｎｄ（５）、遅相軸をθ（５）とし、偏光板の偏光軸をθｐ（２）とし、これらを夫々以下のようにした。
△ｎｄ（３）＝１８０ｎｍ
θ（３）＝＋９０゜または−９０゜
△ｎｄ（４）＝１３７．５ｎｍ
θ（４）＝＋３０゜または−３０゜
△ｎｄ（５）＝２６５ｎｍ
θｐ（２）＝＋４５゜または−４５゜
【００２９】
図７に、この実施例に係る反射型液晶表示パネルの電圧−反射率特性を示す。この電圧−反射特性の測定に関しては、図１３に示す測定系を用い、正面方向でＭｇOをリファレンスとして測定した。但し、各画素の電圧−反射率特性が一致するように、黒階調の印加電圧ＶｃをＲＧＢ画素でＶｃ＝１．５（Ｖ）に固定した後、他の階調の電圧−反射率特性がＲＧＢ画素で一致するようにそれぞれ電圧補正を行った。この図７の特性から明らかな様に、電圧補正を行うことで全階調レベルで色付きのない高品質な画像表示を実現できた。
【００３０】
また、図８に、６０℃の高温下における反射型液晶パネルの電圧−リタデーション比の特性を示す。ここでは、リタデーション比を、２５℃のリタデーションと６０℃のリタデーション比で表している。曲線Ａは本実施例に係る温度特性を改善したホモジニアス型の液晶、Ｂは従来例のホモジニアス型の液晶である。図８より、電圧を上昇させるに伴い、閾値電圧を境に一旦急激にリタデーション比が小さい方向へ変化するが、高電圧側にシフトするにつれて大きくなる。従って、本反射型液晶パネルの黒階調電圧の選択として、（１）閾値電圧より大きいこと、（２）白黒変調率１００％を確保できること（すなわち、液晶セルのリタデーション△ｎｄ≧１７５ｎｍ）、（３）リタデーション比の影響が小さいことを条件に、Ｖｃ＝１．５（Ｖ）とした。
【００３１】
また、図９は視角−コントラスト特性を示す図であり、Ａは本実施例に係る温度特性を改善した型の液晶、Ｂは従来の液晶の夫々２５℃と６０℃におけるグラフである。測定系としては、図１３に示すものを用いた。図９より、６０℃の条件下では、正面方向に限らず視角範囲全域において、本実施例の液晶は従来例に比べて高いコントラスト特性が得られることがわかる。
【００３２】
図１０は、本実施例の液晶を備える反射型液晶パネルの２５℃における視角−階調特性を示す図である。測定系としては、図１３に示すものを用いた。図中のＲ４（１．６Ｖ）、Ｒ２６（２．１Ｖ）、Ｒ５４（２．５Ｖ）、Ｒ７５（２．９Ｖ）、Ｒ９６（４．２Ｖ）は、図７と同様に各中間調を示しており、括弧内の電圧値はその中間調表示の際に印加される電圧値を示している。図１０より、本実施例に係る反射型液晶パネルでは、正反射方位を除く視角範囲でも高い反射率特性が得られるとともに、階調間で反射率特性が反転しない広視野角特性を実現できることがわかる。
【００３３】
図１１は、本実施例の液晶を備える反射型液晶パネルの２５℃における応答特性を示す図である。図１１より、本実施例の反射型液晶パネルでは、中間調を含む各階調間で高速で応答する表示画像が得られることがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の反射型液晶表示装置によれば、黒表示において波長依存のない低い反射率特性を広い視野角範囲で得ることができ、画像の高コントラスト化及び広視野角化を実現できる。また、階調表示間で階調反転のない広視野角化も実現することができる。一方、白表示においても高い反射率特性を広い視野角範囲で得ることができ、明るい画像表示を実現できる。また、液晶層の液晶物性パラメータを６．５≦△ε≦８．０、０．０７≦△ｎ≦０．０９、１．０≦Ｋ３３／Ｋ１１≦２．０の範囲で調整し、かつ、液晶セルのセルギャップを３．０μｍ≦ｄ≦３．５μｍの範囲で作製しており、しかも、液晶層への印加電圧を閾値電圧以上で表示駆動させるため、白黒階調間に限らず、中間調間においても高速で応答する表示画像を実現することができる。さらに、動作温度に対して黒表示の反射率特性の変化を最小限に設計できるために、温度変化に対する画像劣化が少なく、高品質な画像表示が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の反射型液晶表示パネルのパネル構成、及び、光の偏光状態を示す図
【図２】本実施の形態の反射型液晶表示パネルのパネル断面を示す図
【図３】（ａ）は液晶セルの膜厚ｄを変化させたときの視角特性、（ｂ）は視角（コントラスト）特性を示す図
【図４】（ａ）は屈折率異方性Δnを変化させたときの反射率、（ｂ）はコントラストの視角特性を示す図
【図５】（ａ）は誘電率異方性Δεを変化させたときの反射率、（ｂ）はコントラストの視角特性を示す図
【図６】（ａ）は弾性定数比Ｋ３３／Ｋ１１を変化させたときの反射率、（ｂ）はコントラストの視角特性を示す図
【図７】本実施の形態の反射型液晶表示パネルの電圧−反射率特性を示す図
【図８】本実施の形態の反射型液晶表示パネルの電圧−リタデーション比特性を示す図
【図９】本実施の形態の反射型液晶表示パネルの視角−コントラスト特性を示す図
【図１０】本実施の形態の反射型液晶表示パネルの視角−階調特性を示す図
【図１１】本実施の形態の反射型液晶表示パネルの応答特性を示す図
【図１２】従来の反射型液晶表示パネルのパネル構成図
【図１３】本実施の形態の反射型液晶パネルの光学特性を測定する測定系を示す図
【符号の説明】
１ 反射電極
２ アレイチップ
３ ＴＦＴガラス基板
４ ＣＦガラス基板
５ 有機絶縁膜
６ 配向膜
７ 液晶層
８ 対向電極
９ カラーフィルタ層
１０ 遮光層
１１ 第１の位相補償板
１２ 第２の位相補償板
１３ 第３の位相補償板
１４ 偏光板
１５ 拡散フィルム
１６ 液晶セル
１７ 拡散反射板
１８ 光源
１９ 検出器
２０ 液晶パネル
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜トランジスタを用いた反射型液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は、薄型・軽量、低消費電力化が可能という特長があり、他の表示ディスプレイに比べ、実用的かつ高性能な表示デバイスであり、現在急成長を遂げている情報通信端末や携帯用途の情報携帯端末・ネットワークＰＣなどに応用されている。しかし、液晶表示装置は、もともと非発光型表示デバイスであるためにパネル背面に高輝度なバックライトを配置しなければならず、現時点では本来のあるべき特長を必ずしも活かし切れていない。
【０００３】
そこで、この解決手段として反射型液晶表示装置がある。反射型液晶表示装置は外光による反射を利用して画像を表示するために、透過型に比べてより薄型で軽量化を図ることができ、特に低消費電力である点で優れている。また、昼光下での優れた画像視認性が得られるという特長がある。更に部品点数が透過型と比べて削減でき、取り替え部品がなく、環境に与える影響が少ないという利点がある。（特許文献１）
【０００４】
これまでの反射型液晶表示装置は、主にモノクロあるいは多色カラー（４〜１６色）の携帯端末の用途に用いられている。そのなかでもカラー化は大きく２つに大別でき、マイクロカラーフィルタを用いてＲＧＢ３ドットでカラー表示する加法混色型と、液晶の複屈折による干渉色を利用する光干渉型とがある。
【０００５】
それぞれの構成及び特長は、以下の通りである。マイクロカラーフィルタを用いてカラー表示する加法混色型では、図１２に示すように、液晶パネルとして従来の透過型ＴＮセルやＳＴＮセルを用い、その両面に偏光板１４を設けると共に、セル背面に拡散反射板１７を配置する構成や、液晶セルの内部に反射電極もしくはセルの外部に反射板を設け、液晶（ホスト）に２色性色素（ゲスト）を混ぜ、電圧制御により光の透過・吸収で表示する構成などが挙げられる。この方式の液晶表示装置は優れた階調表示性や高コントラスト化を実現できる。一方、後者の光干渉型では、偏光板が不要であるために明るく、さらに広視野角な表示が実現できる。また、光干渉型では、一般的に外付け反射板タイプでＳＴＮセルが用いられており、１ドット１画素のマルチカラー表示で光効率性が高く、明るい表示が実現できる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−２１８４０３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年、高度情報通信技術の発達やインフラ整備によって映像及び情報ディスプレイの表示容量が飛躍的に増大し、オフィス内だけでなく、アウトドアでも情報受信、伝達可能な高度情報ネットワークシステムが構築されてきている。将来のマルチメディア端末を想定した場合、携帯端末用途の表示デバイスとして高解像度、フルカラー対応の反射型カラー液晶表示装置が要望される。
【０００８】
しかし、従来の反射型液晶表示装置の構成では、多くの表示性能上の課題が多い。例えばマイクロカラーフィルタ方式では、もともとのカラーフィルタの透過光ロスの問題がある。又透過型ＴＮあるいはＳＴＮセルを用いた場合、図１２に示すように偏光板を２枚使用するために明るさが低下し、かつ液晶層−反射板間のパララックスによる文字ぼけが生じており、高解像度に至ってはますます視認性を損ねてしまう。また、ゲストホスト方式では、電気光学特性にヒステリシスが生じるために階調表示性が難しく、高電圧駆動の問題がある。一方、光干渉型でもＳＴＮセル同様、偏光板による明るさロスの問題や干渉色による表示色数の制限、更に使用温度範囲が狭いなどの問題がある。以上の理由から従来の表示方式では、高解像度、フルカラー対応の反射型液晶表示装置を実現することができない。
【０００９】
本発明は上記のような問題を解決し、高コントラスト、広視野角、高速応答、高反射率の反射型カラー液晶表示パネルを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、画素毎に形成された薄膜トランジスタ及び反射電極を有する薄膜トランジスタアレイ基板と、対向電極が形成された対向電極基板と、前記薄膜トランジスタアレイ基板と対向基板との間に挟持され、ホモジニアスに配向処理された液晶層と、からなる液晶セルと、前記対向電極基板側に積層された正の１軸性または２軸性の位相補償板と、前記位相補償板上に積層された１枚の偏光板と、を具備し、前記位相補償板の位相差及び遅相軸方位は、前記液晶セルを通過した反射光が前記位相補償板を順次通過した後、直線偏光に変調されるよう調整されており、前記偏光板は、その偏光軸が、前記液晶層の光軸方位に対して−４５°または＋４５°の方位となるよう配置され、前記液晶層の液晶は、その誘電率異方性△εが６．５≦△ε≦８．０、屈折率異方性△ｎが０．０７≦△ｎ≦０．０９及び弾性定数比Ｋ３３／Ｋ１１が１．０≦Ｋ３３／Ｋ１１≦２．０の範囲であり、前記液晶セルのセルギャップｄは、３．０μｍ≦ｄ≦３．５μｍの範囲であり、前記液晶層に閾値電圧以上の電圧を印加し、表示駆動することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の反射型液晶表示装置においては、対向電極基板側に積層された正の１軸性または２軸性の位相補償板を少なくとも３枚以上備えることが好ましい。
【００１２】
この位相補償板を３枚として構成した場合、第３の位相補償板の遅相軸を液晶の光軸方位に垂直に配置して、反射電極上で反射された反射光が液晶セル及び第３の位相補償板を順次通過後、円偏光に変調されるよう、第３の位相補償板の位相差を調整する。また、第１及び第２の位相補償板を通過後に直線偏光に変調されるよう、第１及び第２の位相補償板の位相差及び遅相軸方位を調整する。さらに、偏光板の偏光軸は、液晶の光軸方位に対して−４５°又は＋４５°に配置する。
【００１３】
本発明の反射型液晶表示装置によれば、黒表示において波長依存のない低い反射率特性を広い視野角範囲で得ることができるため、画像の高コントラスト化及び広視野角化を実現できる。また、階調表示間で階調反転のない広視野角化も実現することができる。一方、白表示においても高い反射率特性を広い視野角範囲で得ることができ、明るい画像表示を実現できる。また、液晶の配向形態をホモジニアス配向で形成しており、閾値電圧以上で駆動表示するために、階調レベルに関係なく、高速で応答する表示画像を実現することができる。さらに、動作温度に対して黒表示の反射率特性の変化が非常に小さいため、温度変化による画像劣化がなく、高品質な画像表示を実現できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。図１は、反射電極を鏡面体とし、正の２軸性の位相補償板を３枚使用するホモジニアス配向反射型液晶パネルの構成及び白黒動作時の光の偏光状態を示す。図１（ａ）は表示状態が黒表示の場合、図１（ｂ）は白表示の場合を示す。また、図２に、本実施の形態の反射型液晶表示装置に用いられる反射型液晶パネルのパネル構成を、その断面図を用いて示す。
【００１５】
この反射型液晶パネルは、反射電極１を含む液晶セル１６の上面に、第３の位相補償板１３、拡散フィルム１５、第１の位相補償板１１、第２の位相補償板１２、偏光板１４を順に積層して構成される。液晶セル１６は、図２に示すように、ＴＦＴガラス基板３及びその上のアレイチップ２上に反射電極１が形成された薄膜トランジスタアレイ基板と、ＣＦガラス基板４及びその上にカラーフィルタ層９及び対向電極８が形成された対向電極基板と、両電極間でホモジニアス型に配向処理された液晶層７とから構成される。
【００１６】
ここで、第１及び第２の位相補償板１１、１２としては、ポリカーボネート製の高分子フィルムを用い、偏光板１４には、外光反射防止のための低反射表面処理が施された材料を使用する。
【００１７】
ここで、図１を用いて偏光板１４、第２、第１及び第３の位相補償板１２、１１、１３、液晶セル１６の液晶層７を通過する光の偏光状態を説明する。黒表示の場合、図１（ａ）に示すように、直線偏光→楕円偏光→円偏光→円偏光→楕円偏光→円偏光に変化する。帰路は逆に、円偏光から出発して、楕円偏光→円偏光→円偏光→楕円偏光→直線偏光となる。ただし、行路の偏光板１４を通過した後の直線偏光と、帰路で第２の位相補償板を通過した後の直線偏光とは直交するため、黒表示となる。
【００１８】
一方、白表示の場合、図１（ｂ）に示すように行路の偏光状態は、順に直線偏光→楕円偏光→円偏光→円偏光→楕円偏光→楕円偏光となる。帰路は反射電極上の楕円偏光から出発して順次、楕円偏光→楕円偏光→楕円偏光→楕円偏光→楕円偏光となるが、偏光板通過の際、透過成分が生じることで明状態となる。
【００１９】
また、液晶の光軸方向及びそれに垂直方向の屈折率をそれぞれ、ｎｐ、ｎｖとし、また、液晶セルのセル厚をｄ、液晶分子の傾斜角をα、及び、第３の位相補償板１３の遅相軸、進相軸及び厚み方向の屈折率をそれぞれ、ｎx（３）、ｎy（３）、ｎz（３）、それらのフィルム膜厚をＤとすると、ｎx（３）、ｎy（３）、ｎz（３）及びＤは、以下のとおりに設計される。
ｎx（３）＝[（ｎｖ×cosα）2＋（ｎｐ×sinα）2]／ｎｐ
ｎy（３）＝[（ｎｖ×cosα）2＋（ｎｐ×sinα）2]1/2
ｎz（３）＝ｎｖ
Ｄ＝ｎｐ×ｎｖ／[（ｎｖ×cosα）2＋（ｎｐ×sinα）2]×ｄ
また、その遅相軸方位は、液晶光軸に対して垂直な方位に配置される。
【００２０】
第２の位相補償板１２の光学設計は、その遅相軸を液晶の光軸方位に対して＋３０゜または−３０゜の方位に配置され、遅相軸、進相軸及び厚み方向の屈折率をｎx（４）、ｎy（４）、ｎz（４）とすると、
[ｎx（４）−ｎz（４）]／[ｎx（４）−ｎy（４）]＝０．５
を満足するよう作成される。
【００２１】
また、第１の位相補償板１１の光学設計は、その遅相軸を液晶の光軸方位に対して−３０゜（この場合の第２の位相補償板１２の遅相軸方位は＋３０゜とする）または＋３０゜（この場合の第２の位相補償板１２の遅相軸方位は−３０゜とする）の方位に配置される。遅相軸、進相軸及び厚み方向の屈折率をｎx（５）、ｎy（５）、ｎz（５）とすると、
[ｎx（５）−ｎz（５）]／[ｎｘ（５）−ｎｙ（５）]＝０．５
を満足するよう作成される。
【００２２】
一方、偏光板１４の偏光軸は、液晶の光軸方位に対して、＋４５゜または−４５゜の方位に配置される。
【００２３】
次に液晶セルの膜厚ｄと黒電圧及び視角特性について説明する。図３（ａ）は正面を基準として反射率Ｒが５０％となる視角の角度の黒電圧（Ｖ）に対する変化を示し、膜厚ｄとして３．０μｍ，４．０μｍ及び５．０μｍについてのグラフを示す。図３（ｂ）は黒電圧に対するコントラストＣＲが１０以上の角度を示している。反射率及びコントラストの良好な視角特性を得るためには黒電圧の設定が重要となる。黒電圧はパネル消費電力を下げる点からも小さくすることが望ましいが、液晶の閾値電圧よりも大きくする必要がある。そして反射率の視角特性を５０°以上、コントラストの視角特性を６０°以上とするために、液晶セルの膜厚ｄを３．０〜３．５μｍとする。ここで用いた液晶の物理定数はΔε＝３．５、Δｎ＝０．００９０、Ｋ３３／Ｋ１１＝１．５である。尚、Ｋ３３は液晶物性のベンド弾性定数、Ｋ１１はスプレイ弾性定数を示す。
【００２４】
図４（ａ），（ｂ）は屈折率異方性Δｎを０．０７〜０．１５に変えたときの反射率の視角特性及びコントラストの視角特性を示している。この場合も反射率の視角特性を５０°以上、コントラストの視角特性を６０°以上とするために、Δｎを０．０７〜０．０９とする。
【００２５】
図５（ａ），（ｂ）は誘電率異方性Δεを３．５〜８．０に変えたときの反射率の視角特性及びコントラストの視角特性を示している。この場合も反射率の視角特性を５０°以上、コントラストの視角特性を６０°以上とするために、誘電率異方性Δεを６．５〜８．０とする。
【００２６】
又弾性定数の比Ｋ３３／Ｋ１１についても図６（ａ），（ｂ）に反射率の視角特性、図６（ｂ）にコントラストの視角特性を示す。これらの図において反射率の視角特性を５０°以上、コントラストの視角特性を６０°以上とするために、弾性定数の比Ｋ３３／Ｋ１１を１．０〜２．０の範囲としている。
【００２７】
本実施の形態の反射型液晶パネルによれば、黒表示電圧の印加時におけるパネル正面方向の反射率を極力小さくし、波長に対してフラットな特性を得ることができるため、高コントラストな画像を提供することができる。また、液晶の光軸方位に対して視角を傾斜しても液晶パネル全体の位相差がほとんど変化しないために各階調間での反転が生じず、広視野角な画像表示を実現できる。また、液晶パネルの駆動電圧を液晶の閾値電圧以上で使用するために中間調を含む各階調間で高速の応答特性が得られる。一方、高温下においても液晶層のリタデーション変化を最小限に抑えるため、適正な液晶物性値の選択を図り、かつ、黒表示電圧を最適化することでコントラスト、視野角、反射率等の表示品質で温度変化による劣化の影響が小さい画像を実現することができる。
【００２８】
【実施例】
ここで本発明の実施例について説明する。液晶層７として、誘電率異方性△ε＝７．８、屈折率異方性△ｎ＝０．０７４、弾性定数比Ｋ３３／Ｋ１１＝２．０、波長分散比△ｎｄ（α）／△ｎｄ（５５０ｎｍ）を１．１５≦△ｎｄ（α）／△ｎｄ（５５０ｎｍ）≦０．９５の物性値を有する液晶材料を使用し、液晶セルのセル厚ｄをｄ＝３μｍに形成した。また、第３の位相補償板１３の位相差を△ｎｄ（３）、遅相軸をθ（３）とし、第２の位相補償板１２の位相差を△ｎｄ（４）、遅相軸をθ（４）とし、第１の位相補償板１１の位相差を△ｎｄ（５）、遅相軸をθ（５）とし、偏光板の偏光軸をθｐ（２）とし、これらを夫々以下のようにした。
△ｎｄ（３）＝１８０ｎｍ
θ（３）＝＋９０゜または−９０゜
△ｎｄ（４）＝１３７．５ｎｍ
θ（４）＝＋３０゜または−３０゜
△ｎｄ（５）＝２６５ｎｍ
【００２９】
図７に、この実施例に係る反射型液晶表示パネルの電圧−反射率特性を示す。この電圧−反射特性の測定に関しては、図１３に示す測定系を用い、正面方向でＭｇOをリファレンスとして測定した。但し、各画素の電圧−反射率特性が一致するように、黒階調の印加電圧ＶｃをＲＧＢ画素でＶｃ＝１．５（Ｖ）に固定した後、他の階調の電圧−反射率特性がＲＧＢ画素で一致するようにそれぞれ電圧補正を行った。この図７の特性から明らかな様に、電圧補正を行うことで全階調レベルで色付きのない高品質な画像表示を実現できた。
【００３０】
また、図８に、６０℃の高温下における反射型液晶パネルの電圧−リタデーション比の特性を示す。ここでは、リタデーション比を、２５℃のリタデーションと６０℃のリタデーション比で表している。曲線Ａは本実施例に係る温度特性を改善したホモジニアス型の液晶、Ｂは従来例のホモジニアス型の液晶である。図８より、電圧を上昇させるに伴い、閾値電圧を境に一旦急激にリタデーション比が小さい方向へ変化するが、高電圧側にシフトするにつれて大きくなる。従って、本反射型液晶パネルの黒階調電圧の選択として、（１）閾値電圧より大きいこと、（２）白黒変調率１００％を確保できること（すなわち、液晶セルのリタデーション△ｎｄ≧１７５ｎｍ）、（３）リタデーション比の影響が小さいことを条件に、Ｖｃ＝１．５（Ｖ）とした。
【００３１】
また、図９は視角−コントラスト特性を示す図であり、Ａは本実施例に係る温度特性を改善した型の液晶、Ｂは従来の液晶の夫々２５℃と６０℃におけるグラフである。測定系としては、図１３に示すものを用いた。図９より、６０℃の条件下では、正面方向に限らず視角範囲全域において、本実施例の液晶は従来例に比べて高いコントラスト特性が得られることがわかる。
【００３２】
図１０は、本実施例の液晶を備える反射型液晶パネルの２５℃における視角−階調特性を示す図である。測定系としては、図１３に示すものを用いた。図中のＲ４（１．６Ｖ）、Ｒ２６（２．１Ｖ）、Ｒ５４（２．５Ｖ）、Ｒ７５（２．９Ｖ）、Ｒ９６（４．２Ｖ）は、図７と同様に各中間調を示しており、括弧内の電圧値はその中間調表示の際に印加される電圧値を示している。図１０より、本実施例に係る反射型液晶パネルでは、正反射方位を除く視角範囲でも高い反射率特性が得られるとともに、階調間で反射率特性が反転しない広視野角特性を実現できることがわかる。
【００３３】
図１１は、本実施例の液晶を備える反射型液晶パネルの２５℃における応答特性を示す図である。図１１より、本実施例の反射型液晶パネルでは、中間調を含む各階調間で高速で応答する表示画像が得られることがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の反射型液晶表示装置によれば、黒表示において波長依存のない低い反射率特性を広い視野角範囲で得ることができ、画像の高コントラスト化及び広視野角化を実現できる。また、階調表示間で階調反転のない広視野角化も実現することができる。一方、白表示においても高い反射率特性を広い視野角範囲で得ることができ、明るい画像表示を実現できる。また、液晶層の液晶物性パラメータを６．５≦△ε≦８．０、０．０７≦△ｎ≦０．０９、１．０≦Ｋ３３／Ｋ１１≦２．０の範囲で調整し、かつ、液晶セルのセルギャップを３．０μｍ≦ｄ≦３．５μｍの範囲で作製しており、しかも、液晶層への印加電圧を閾値電圧以上で表示駆動させるため、白黒階調間に限らず、中間調間においても高速で応答する表示画像を実現することができる。さらに、動作温度に対して黒表示の反射率特性の変化を最小限に設計できるために、温度変化に対する画像劣化が少なく、高品質な画像表示が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の反射型液晶表示パネルのパネル構成、及び、光の偏光状態を示す図
【図２】本実施の形態の反射型液晶表示パネルのパネル断面を示す図
【図３】（ａ）は液晶セルの膜厚ｄを変化させたときの視角特性、（ｂ）は視角（コントラスト）特性を示す図
【図４】（ａ）は屈折率異方性Δnを変化させたときの反射率、（ｂ）はコントラストの視角特性を示す図
【図５】（ａ）は誘電率異方性Δεを変化させたときの反射率、（ｂ）はコントラストの視角特性を示す図
【図６】（ａ）は弾性定数比Ｋ３３／Ｋ１１を変化させたときの反射率、（ｂ）はコントラストの視角特性を示す図
【図７】本実施の形態の反射型液晶表示パネルの電圧−反射率特性を示す図
【図８】本実施の形態の反射型液晶表示パネルの電圧−リタデーション比特性を示す図
【図９】本実施の形態の反射型液晶表示パネルの視角−コントラスト特性を示す図
【図１０】本実施の形態の反射型液晶表示パネルの視角−階調特性を示す図
【図１１】本実施の形態の反射型液晶表示パネルの応答特性を示す図
【図１２】従来の反射型液晶表示パネルのパネル構成図
【図１３】本実施の形態の反射型液晶パネルの光学特性を測定する測定系を示す図
【符号の説明】
１ 反射電極
２ アレイチップ
３ ＴＦＴガラス基板
４ ＣＦガラス基板
５ 有機絶縁膜
６ 配向膜
７ 液晶層
８ 対向電極
９ カラーフィルタ層
１０ 遮光層
１１ 第１の位相補償板
１２ 第２の位相補償板
１３ 第３の位相補償板
１４ 偏光板
１５ 拡散フィルム
１６ 液晶セル
１７ 拡散反射板
１８ 光源
１９ 検出器
２０ 液晶パネル
Claims (2)
- 画素毎に形成された薄膜トランジスタ及び反射電極を有する薄膜トランジスタアレイ基板と、対向電極が形成された対向電極基板と、前記薄膜トランジスタアレイ基板と対向基板との間に挟持され、ホモジニアスに配向処理された液晶層と、を有する液晶セルと、
前記対向電極基板側に積層された正の１軸性または２軸性の位相補償板と、
前記位相補償板上に積層された１枚の偏光板と、を具備し、
前記位相補償板の位相差及び遅相軸方位は、前記液晶セルを通過した反射光が前記位相補償板を順次通過した後、直線偏光に変調されるよう調整されており、
前記偏光板は、その偏光軸が、前記液晶層の光軸方位に対して−４５°または＋４５°の方位となるよう配置され、
前記液晶層の液晶は、その誘電率異方性△εが６．５≦△ε≦８．０、屈折率異方性△ｎが０．０７≦△ｎ≦０．０９及び弾性定数比Ｋ３３／Ｋ１１が１．０≦Ｋ３３／Ｋ１１≦２．０の範囲であり、
前記液晶セルのセルギャップｄは、３．０μｍ≦ｄ≦３．５μｍの範囲であり、前記液晶層に閾値電圧以上の電圧を印加し、表示駆動することを特徴とする反射型液晶表示装置。 - 前記対向電極基板側に積層された正の１軸性または２軸性の位相補償板を少なくとも３枚以上備える請求項１記載の反射型液晶表示装置。
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