JP4462651B2 - ペーパーホワイト反射型表示器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型表示器およびその作製方法に関する。より特定的には、本発明は、ペーパーホワイト液晶反射型表示器、およびその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、複数種類の反射液晶表示器が開発されている。これら反射液晶表示器の多くは、液晶分散技術を利用している。このような表示器は反射モードの動作では従来の偏光子ベースの表示器より優れている。
【０００３】
このような反射液晶表示器の一例は、電気的に制御された光散乱に基づいて動作するポリマー分散型液晶（ＰＤＬＣ）表示器である。この技術では、液晶滴はポリマーマトリクス中に埋め込まれる。オフ状態では、液晶滴のアライメント（回転軸）はランダムで、液晶とポリマーとの有効屈折率の不一致のため、不透明な散乱膜ができる。電界をかけると、液晶滴中の液晶は電界と平行に整列し、複合材は透明になる。しかし、直視反射モードでのコントラスト比は５〜１０：１で、セルの厚みに大きく左右される。さらに、ポリマー分散型液晶反射型表示器の反射率はわずか約１２〜１５％である。
【０００４】
他の種類の反射液晶表示器は、ブラッグ反射の原則に従って動作するポリマー分散型コレステリック液晶表示器（ＰＤＣＬＣ）である。このコレステリック液晶表示器はコントラスト比がほぼ１０：１で、環境光下での明所視反射率が１０〜１３％、ブラッグ波長でのピーク反射率が約４０％である。
【０００５】
さらに他の種類の反射液晶表示器は、ポリマー安定化コレステリックテキスチャ（ＰＳＣＴ）反射型表示器である。これはコレステリック液晶媒体中にわずかな量のポリマー添加剤を加えることによって、規則的な安定網を構成する表示器である。コントラスト比は２０〜３０：１で、環境光下での明所視反射率が１０〜１５％、ブラッグ波長でのピーク反射率がほぼ４０％と報告されている。これ以外にも、ポリマーは使用しないが、上記の表示器群に匹敵する性能を有する同様の表示器が開発されている。
【０００６】
ホログラフポリマー分散型液晶表示器は、より新しい種類の反射液晶表示器である。この表示器は、タナカら著の「ホログラフィを用いて作製した反射カラー表示器用の液晶／ポリマー装置（Holographically formed liquid crystal/polymer device for reflective color displays）」（情報表示器学会(Society for Information Display）議事録、１９９４年、第２巻、第１号、３７〜４０頁）で報告されている。また、このようなホログラフ液晶表示器の最適化については、タナカら著の「反射カラー表示器応用のためのホログラフＰＤＬＣの最適化（Optimization of Holographic PDLC for Reflective Color Display Applications）」（ＳＩＤ、１９９５年抄録、２６７〜２７０頁）に報告されている。このホログラフィを用いたポリマー分散型液晶は、光干渉技術（反射ホログラフィ）を用いて試料内の所定位置で液晶滴の面を形成し、液晶滴濃度の変調（modulation）を設定して作製する。こうして得られる光干渉は、液晶滴内に包理される液晶材料誘導体（liquid crystal material directors）が不整列であるオフ状態で、ブラッグ波長を反射する。定電圧の印加後、液晶の屈折率とポリマーの屈折率とがほぼ一致すれば、周期的な屈折率の変調はなくなり、入射光はすべて透過する。表示器の分光反射率は作製過程で決定され、任意の可視波長を反射するよう選択できる。上記のホログラフ液晶／ポリマー反射カラー表示器は等方性ポリマーを用いて作製されるので、相分離の間に液晶滴が形成される。等方性のためにポリマー分子の整列はランダムで、また液晶の有効屈折率とポリマーの有効屈折率とが一致せず、見る角度範囲が広くなるとこの不一致はさらに大きくなる。そのため、ある角度から見ると表示装置は不透明または曇って見える。また液晶滴が球形であるため、この表示装置はかなり高い駆動電圧が必要である。具体的には、表示装置の駆動に必要な電圧は液晶滴の表面積対体積比に比例する。かかる球形の液晶滴の表面積対体積比は、３／Ｒ（Ｒは液晶滴の半径）である。
【０００７】
本願に引用により援用する米国特許出願（０８／７９２，２６８）「ホログラフィを用いて作製した反射型表示器、液晶表示器、および投写システム、ならびにその作製方法（Holographically Formed Reflective Display, Liquid Crystal Display and Projection System and Methods of Forming the Same)」は、ホログラフィを用いた反射型表示器及び投写システムを開示している。また、本願に引用により援用する米国特許出願（０８／７９２，２６９）「広帯域反射型表示器およびその作製方法（Broadband Reflective Display and Methods of Forming the Same）」は、それぞれ異なる波長の光を反射する複数の反射層グループを備えることによって、反射波長を拡大する方法を開示している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
また、近年、ペーパーホワイト反射型表示器に対する関心がますます高まっている。しかし、従来のペーパーホワイト表示器作製技術では、明所視での白の反射率が低い、例えば１０〜１５％である表示器ができてしまう。受動光成形素子（passive light shaping elements）（輝度強調膜）を使用すると、反射率は２０〜４０％に上昇するが、コントラストおよび表示器を見る角度は制限される。
【０００９】
従って、明所視での白の反射率が改善され、低い駆動電圧で動作可能で、コントラスト比が高く、様々な角度から見たときに曇りのないペーパーホワイト反射型表示器が必要とされている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記およびその他の問題を解決するために、本発明は、従来の装置と比較して、明所視での白の反射率が改善され、コントラストが高く、様々な角度から見たときに曇りや不透明さがなく、駆動電圧が低い、ペーパーホワイト反射型表示器を提供する。ペーパーホワイト反射型表示器は、第１の基板および第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間に位置する液晶層とポリマー層との複数のグループとを含み、液晶層とポリマー層との複数のグループは、それぞれ異なる波長の光を反射し、電圧源は第１の基板と第２の基板との間に配置されて、すべての液晶層およびポリマー層に選択的に電圧を印加する。
【００１１】
本発明をより完全に理解するには、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を考慮すればよい。図中、同一箇所には同一参照番号を付す。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は反射型表示器を示す。基板群１０の間には、酸化インジウムおよび酸化スズ層１２と、アライメント層１４とが形成される。アライメント層１４は、ホモジニアス（平行）接地境界状態を望む場合は磨りポリマー層（rubbed polymer layer）で構成してもよく、またはホメオトロピック（垂直）接地境界状態を望む場合は例えばシラン界面活性剤層で構成してもよい。これについては以下に詳述する。アライメント層１４群間には、液晶溶剤に溶解した異方性ポリマーが配置される。異方性ポリマー１８は光活性のあるモノマーおよび適当な光イニシエータを含んでもよい。液晶／ポリマー混合物１６は、機械的攪拌および熱によって均質化される。
【００１３】
その後、装置に例えば干渉用レーザビームＡおよびＢを照射すると、装置中に干渉縞ができる。この構造を図１（ｂ）に示す。液晶／ポリマー混合物１６内でレーザの干渉パターン強度の高い領域はポリマー濃度が高くなりポリマーシート２０を形成する。一方、強度の低い領域はポリマーの空洞ができ、液晶領域２２となる。図１（ｂ）に示すように、ポリマーシート２０および液晶領域２２は多層構造となる。
【００１４】
図２（ａ）は、ホログラフィを用いた反射型表示器８のオフ状態の様子を示す図である。オフ状態は、酸化インジウムおよび酸化スズ層１２間に電界をかけない場合に発生する。オフ状態では、液晶領域２２の分子とポリマーシート２０を構成する分子とは屈折率が効果的に一致し、かつ互いに整列しているため、表示器は透明で、すべての光を透過する。
【００１５】
図２（ｂ）および図２（ｃ）は、図２（ａ）の液晶層２２およびポリマーシート２０の丸で囲った部分１５の拡大図であり、それぞれホモジニアスおよびホメオトロピック接地境界状態についてのオフ状態での屈折率の一致の様子を示す。具体的には、図２（ｂ）はアライメント層１４が磨りポリマー層である場合に形成されるホモジニアス接地境界状態を示す。このような摩りポリマー層は当該技術分野では公知であり、従来の技術で作製される。摩りポリマー層は、ポリマーシート２０および液晶領域２２内の分子を、ネマチック液晶媒体の平らなアライメント方向沿いに基板１０の表面と概平行に形成させる。図２（ｂ）に示すように、ポリマーシート２０を形成するポリマー分子は異方性ポリマー分子であるから、分子は細長く、一方向に整列している。同様に、液晶領域２２を形成する分子も異方性であるから、ポリマーシートを形成する分子と同じ方向に整列している。このようにアライメントの屈折率が一致しているため、ホログラフィを用いた反射型表示器８を様々な角度から見た場合に、表示器８の曇りを大幅に抑えることができる。これに対して、従来のホログラフィを用いた反射型表示器は、ランダム整列の等方性ポリマーを使用するため、様々な角度から見た場合に曇りおよび不透明さが生じる。
【００１６】
図２（ｃ）は、図２（ａ）の丸１５内の部分拡大図で、反射型表示器８のホメオトロピック接地境界状態を示す。ホメオトロピック接地境界状態は、アライメント層１４が垂直アライメントを含む場合、例えばシラン界面活性剤層などの場合に生じる。これは、図２（ｃ）に示すように、ポリマーシート２０内の異方性ポリマーを基板１０の表面とほぼ垂直に整列させる。同様に、液晶領域２２内の分子も異方性であるため、ポリマーシート２０を形成する異方性ポリマー分子と同じ方向に整列する。このような異方性ポリマーの使用によっても、ホログラフィを用いた反射型表示器８を様々な角度から見た場合に表示器８の曇りおよび不透明さを大幅に抑えることができる。
【００１７】
図３（ａ）は、ホログラフィを用いた反射型表示器８のオン状態の様子を示す。オン状態では、酸化インジウムおよび酸化スズ層１２間に電圧源２４から電圧が印加される。これにより矢印Ｅで示す方向に電界が形成され、表示器に所望の波長の光を反射させる。反射光の所望の波長は、装置の作製時に、レーザまたは他のホログラフィを用いた手段によって形成される干渉縞の波長を適宜制御して選択できる。
【００１８】
図３（ｂ）は、ホモジニアス接地境界状態の場合における図３（ａ）の丸１７内の部分拡大図である。図３（ｂ）に示すように、酸化インジウムおよび酸化スズ層間に電界Ｅをかけることによって液晶領域２２内の正の誘電異方性をもつ分子を方向Ｅと平行に整列させる。これにより所望の波長をもつ光だけを反射させ、それ以外の光はすべて透過する。
【００１９】
図３（ｃ）は、ホログラフィを用いた反射型表示器８のオン状態のホメオトロピック接地境界状態を示す。ホメオトロピックアライメントの場合は、使用する液晶材料は負の誘電異方性をもつ。電界Ｅをかけると、液晶領域２２内の負の誘電異方性をもつ分子が電界方向Ｅと垂直に整列し、やはり所望の波長の光だけを反射する。
【００２０】
図４はフルカラー液晶表示器を示す。表面アライメントがホモジニアスな場合、使用する液晶材料は正の誘電異方性をもつ。フルカラー液晶表示器２６は、ホログラフィを用いた３つの反射型表示器２５，２７および２９（ホログラフィを用いた反射型表示器８と同じ）を含み、各表示器はそれぞれ異なる波長の光を反射する。フルカラー液晶表示器２６は、反射しない波長の光を吸収し表示器のコントラストを強調する黒い吸収体２８を含む。図４に示すように、フルカラー液晶表示器２６の上面３１に矢印Ｆの方向に環境光を露光させる。像を形成するには、各電圧源２４を独立制御して、ホログラフィを用いて、それぞれ異なる光を反射する各反射型表示器８から選択的に光を反射させる。例えば図４では、上部反射型表示器２５は４６５ｎｍの波長の光を反射し、中央の反射型表示器２７は５４５ｎｍの波長の光を反射し、下部反射型表示器２９は６２０ｎｍの波長の光を反射するように構成して、それぞれ青、緑、赤の波長を反射するようにしてもよい。３つのホログラフ反射表示層を選択的に駆動することによって、入射光の広範な帯域からフルカラー画像を形成することができる。
【００２１】
図５はフルカラー投写システム３１を示す。このシステムは、波長約６２０ｎｍの赤の光を選択的に反射する第１のホログラフィを用いた反射型表示器３０と、波長約５４５ｎｍの緑の光を反射する第２の反射型表示器３２と、波長約４６５ｎｍの青の光を反射する第３の反射型表示器３４とを含む。
【００２２】
光源３６から発せられた光が、ホログラフィを用いた第１の反射型表示器３０に入射すると、波長約６２０ｎｍの赤の光が矢印Ｇの方向に反射してミラー３８に入射し、そこから矢印Ｈに沿って出力方向に反射する。波長約６２０ｎｍの赤以外の光は、第１の反射型表示器３０を透過して矢印Ｉの方向に進み、第２の反射型表示器３２に入射する。第２の反射型表示器３２は波長約５４５ｎｍの緑の光を矢印Ｊの方向に反射して、第１のダイクロイックミラー４０表面へ入射させる。第１のダイクロイックミラー４０は、ミラー３８が反射した赤の光を透過し、かつ緑の光を矢印Ｈ方向に反射する。光源３６からの光のうち、第２の反射型表示器３２で反射されなかった光は、第３の反射型表示器３４へ進み、ここで波長約４６５ｎｍの青の光を矢印Ｋの方向に反射して、第２のダイクロイックミラー４２表面へ入射する。
【００２３】
第３の反射型表示器３４で反射されなかった光は透過して、光止め３５へ進む。第２のダイクロイックミラー４２は青の波長の光を矢印Ｈの方向に反射し、かつミラー３８および第１のダイクロイックミラー４０からの赤と緑の光を透過して出力へ進める。こうしてフルカラー投写システム３１によって、像の形成および投映が行われる。
【００２４】
上記の投写システム３１の第１、第２および第３のホログラフィを用いた反射型表示器３０，３２および３４が反射する各波長は、図２（ａ）〜図３（ｃ）で示す実施形態のところで説明したように、各表示器が反射する光の波長を所望の値に調整して変更できる。
【００２５】
上記のホログラフィを用いた反射型表示器は、通常使用される一般的なネマチック液晶材料の代わりに、キラル・ネマチック液晶材料または強誘電性液晶材料を使用することによって、双安定なスイッチングを達成できる。双安定性については、本願に引用により援用する関連出願（米国特許出願番号０８／８９７，２１０）「キラル液晶および再構成可能な無機塊を用いた双安定反射型表示器（Bistable Reflective Display Using Chiral Liquid Crystal and Reconfigurable Inorganic Agglomerates）」に詳細に議論されている。
【００２６】
図６はペーパーホワイト反射型表示器４７を示す。ペーパーホワイト反射型表示器４７は図４の反射型表示器２６と同じだが、２枚の基板４８および５０だけを含み、その間に液晶層とポリマー層との３つのグループ５２，５４および５６が形成される点が異なる。
【００２７】
液晶層とポリマー層との各グループ５２，５４および５６は、１層の液晶層と１層のポリマー層とで構成してもよいし、または図１（ｂ）等に示すように複数の液晶層と複数のポリマー層とから構成してもよい。このような液晶層とポリマー層とのグループ５２，５４および５６は、上述したようにそれぞれ異なる波長の光を反射するように形成される。例えば、液晶層とポリマー層とのグループ５２は中心波長約６３０ｎｍの光を反射し、グループ５４は中心波長約５４０ｎｍの波長を反射し、グループ５６は中心波長約４８０ｎｍの波長を反射するように構成してもよい。電圧源５８は基板４８と５０との間に電圧を印加するかしないかのいずれかの選択であるから、この選択により液晶層とポリマー層とのグループ５２，５４および５６のそれぞれに対して、ペーパーホワイト反射型表示器４７は、これらグループ５２，５４および５６すべてを一斉に任意の所定時間中反射または透明の状態とすることになる。液晶層とポリマー層とのグループ５２，５４および５６すべてが反射状態の場合、ペーパーホワイト反射型表示器４７は赤、緑および青のすべての光を同時に反射するため、ペーパーホワイトに見える。
【００２８】
また、ペーパーホワイト反射型表示器４７は、基板５０に隣接して黒い吸収体６０を含む。黒い吸収体６０は反射されない波長を吸収する光止めとして機能し、これにより表示器のコントラストを強調し、かつ液晶層とポリマー層とのグループ５２，５４，および５６が透明の場合に表示器を黒く見せる。
【００２９】
図７（ａ）は、ペーパーホワイト反射型表示器４７の反射率を表す、複合反射率と波長との関係を示すグラフであり、液晶層とポリマー層とのグループ５２，５４および５６は上述した中心波長の光を反射し、各グループは帯域幅約４０ｎｍの光を反射する。図７（ｂ）はペーパーホワイト反射型表示器４７の色度図であり、ペーパーホワイト反射型表示器４７の表示器白点の色度値と、標準光源Ｄ５０およびＤ６５からの望ましい距離とを示す。図７（ｂ）に示すように、明所視での白状態の反射率は約４４％である。
【００３０】
図８はペーパーホワイト反射型表示器６２を示す。液晶層とポリマー層とのグループ６４，６６および６８のそれぞれについて、ペーパーホワイト反射型表示器６２は液晶層とポリマー層との複数のサブ層を含み、各サブ層は異なる波長の光を反射する。この実施形態では９層の液晶層とポリマー層とのサブ層７０〜８６を含み、それぞれ３層ずつで１グループとなる。ただしサブ層の数は９層でなくてもよい。サブ層のグループは、図２（ａ）〜図３（ｃ）に示した実施形態において説明したように、それぞれ特定の波長に合わされる。
【００３１】
液晶層とポリマー層とのグループ６４は、液晶層とポリマー層との３つのサブ層７０，７２および７４を含み、各サブ層は赤の光の波長を反射するが、ただし各サブ層の中心波長は互いにずれているので、分光反射率の範囲を広くできる。液晶層とポリマー層とのサブ層７０，７２および７４の中心波長は、それぞれ６００ｎｍ，６３０ｎｍ，６６０ｎｍである。
【００３２】
液晶層とポリマー層とのグループ６６は、液晶層とポリマー層との３つのサブ層７６，７８および８０を含み、各サブ層は緑の光の波長を反射するが、ただし各サブ層の中心波長は互いにずれているので、分光反射率の範囲を広くできる。液晶層とポリマー層とのサブ層７６，７８および８０の中心波長は、それぞれ５１０ｎｍ，５４０ｎｍ，５７０ｎｍである。
【００３３】
液晶層とポリマー層とのグループ６８は、液晶層とポリマー層との３つのサブ層８２，８４および８６を含み、各サブ層は青の光の波長を反射するが、ただし各サブ層の中心波長は互いにずれているので、分光反射率の範囲を広くできる。液晶層とポリマー層とのサブ層８２，８４および８６の中心波長は、それぞれ４６０ｎｍ，４８０ｎｍ，５００ｎｍである。液晶層とポリマー層との各サブ層の帯域幅は４０ｎｍである。
【００３４】
図９（ａ）はペーパーホワイト反射型表示器６２の反射率を表す、複合反射率と波長との関係を示すグラフである。図９（ａ）では、所望の白点色度を得るために、緑、赤および青ピークの相対反射率の値を調整している。この実施形態では、図６の反射型表示器に比べて反射率ピークの帯域幅が大幅に広がるので、明所視白反射率は７３％まで上昇する。図９（ｂ）はペーパーホワイト反射型表示器６２の色度図であり、図示するように、希望する白点色度が標準光源Ｄ５０およびＤ６５に非常に近接して得られる。
【００３５】
以上、本発明の特定の実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者には、多様な変更、変形、および修正が明らかであると考える。従って、上記で説明した本発明の好適な実施形態は一例にすぎず、これに限定するものではなく、本発明の精神および範囲内で多数の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は反射型表示器の組立中に干渉レーザを当てる前の様子を示す概略図であり、（ｂ）は本発明の反射型表示器の概略図である。
【図２】 反射型表示器のオフ状態のホモジニアスおよびホメオトロピック接地境界状態を示す図である。
【図３】 反射型表示器のオン状態のホモジニアスおよびホメオトロピック接地境界状態を示す図である。
【図４】 フルカラー反射型液晶表示器の図である。
【図５】 ３つの反射型表示器を含む投写システムの図である。
【図６】 ペーパホワイト反射型表示器の図である。
【図７】 図６のペーパーホワイト反射型表示器用の反射率と波長との関係を示すグラフ、および白点での色度を示す図である。
【図８】 複数のサブ層を有するペーパホワイト反射型表示器の図である。
【図９】 図８のペーパホワイト反射型表示器用の反射率と波長との関係を示すグラフ、および白点での色度を示す図である。
【符号の説明】
４７ ペーパーホワイト反射型表示器、４８，５０ 基板、５２，５４，５６グループ（液晶層およびポリマー層から構成されるグループ）、５８ 電圧源。

Claims (1)

1. 第１の基板及び第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置された複数のグループであって、前記複数のグループの各々は複数の液晶層及び複数のポリマー層を含み、前記液晶層及び前記ポリマー層は交互に積層され、前記ポリマー層は異方性ポリマー分子から構成され、前記複数のグループの各々は異なる波長の光を反射し、前記複数のグループの各々は複数のサブ層を含み、前記複数のサブ層の各々は複数の前記液晶層及び複数の前記ポリマー層を含み、前記複数のサブ層の各々は反射中心波長が互いにずれている、前記複数のグループと、
   前記第１の基板と前記第２の基板とに接続され、前記複数のグループに電圧を印加する電圧源と
   を備えることを特徴とするペーパーホワイト反射型表示器。

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