JP4570058B2

JP4570058B2 - 反射型表示装置

Info

Publication number: JP4570058B2
Application number: JP26618499A
Authority: JP
Inventors: 徹橋本
Original assignee: Sharp Corp; Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Sharp Corp; Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 1999-09-20
Filing date: 1999-09-20
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2019-09-20
Also published as: JP2001092367A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は反射型の表示装置に関するもので、特にプリズムシートと異なる屈折率に切り換え可能な媒体とを設けた反射型の表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、反射型の表示装置として各種のものが実用化されており、代表的なもの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、例えば図５に示すように構成されている。符号９０が反射型液晶表示装置であり、図面左側がＯＦＦ状態を表し、図面右側がＯＮ状態を模式的に表現している。
【０００３】
図５において、反射型液晶表示装置９０は、例えば液晶表示装置９２と反射板９１とからなる。液晶表示装置９２は、液晶層９５を一対のガラス基板９３で挟持してなる液晶セルと、その外側に配置された一対の偏光板９４とからなる。各ガラス基板９３の内面側にはＩＴＯ等の透明電極９６が設けられ、周辺をシール９７にて接着固定して液晶層９５を封止している。反射板９１は、液晶表示装置９２側の表面を拡散反射面としており、液晶表示装置９２を透過してきた入射光ａを反射するものとされている。
【０００４】
液晶層９５には、例えば誘電異方性が正のツイストネマチック液晶が用いられ、液晶層９５に電圧を印加しない状態、すなわちＯＦＦ状態では、９０度ねじれて水平配列する。液晶層９５に閾値電圧よりも高い電圧を印加した状態、すなわちＯＮ状態においては、液晶分子は電界により垂直方向に配列する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、偏光板９４の透過率は理論上５０％が最大である。したがって、このような一対の偏光板９４を用いた反射型液晶表示装置９０においては、入射光ａは反射板９１に届くまでの間で２回、反射した後に２回、計４回偏光板９４を通過しているため、反射光ｂとして観察者の目に届くまでの間に非常に多くの光を損失してしまい、せいぜい２０％程度の反射率しか得られない。そのため、表示が暗く見にくいため視認性に劣るものであった。
【０００６】
そこで、かかる問題を解決するために偏光板を１枚しか用いない形式の液晶表示装置も提案されている。しかし、その場合においても少なくとも往復の２回は偏光板を通過するため、到底５０％以上の反射率を得ることはできない。また、偏光板を使用しないポリマー分散型液晶を用いた反射型液晶表示装置も提案されているが、その場合には偏光板を用いないため反射率を高くすることはできるものの、白表示部分の反射率のみでなく、黒表示部分の反射率も高くなってしまうためにコントラストが低下し、表示品位に劣るものであった。
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、５０％以上の高い反射率と、高いコントラストの得られる反射型の表示装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明の第一の態様によれば、透光性の基板と、その背面側に配設された凹凸表面を有するプリズムと、前記透光性基板と対向するように該基板背面側に配設した電極を備える対向基板と、両基板間に挟持された媒体とを備えた反射型の表示装置であって、前記媒体は、前記プリズム凹凸表面と接触する媒体の状態が、前記プリズムの屈折率と略等しい屈折率となる一方の状態の媒体と、前記プリズムの屈折率よりも小さな屈折率を示す他方の状態の媒体の少なくとも２つの屈折率の異なる媒体に、電気的信号により変更することが可能であり、前記一方の状態の媒体の場合には、前記プリズムと媒体との界面における前記透光性基板側からの入射光の反射が低減され、前記他方の状態の媒体の場合には、前記プリズムと媒体との界面における前記透光性基板側からの入射光の多くが全反射するように、前記プリズムの凹凸表面が形成されており、前記媒体が、屈折率異方性を示す液晶層であり、カイラル材を含み、前記一方の状態において、前記媒体に含まれる液晶分子は、前記カイラル材によりツイストする配列を生じ、液晶分子の長軸方向の屈折率をｎｅ、短軸方向の屈折率をｎｏとしたとき、前記ツイストする配列の軸上より観察した前記液晶層の屈折率が、［（ｎｅ ^２＋ｎｏ ^２）／２］ ^１／２で表され、前記他方の状態において、前記媒体に含まれる液晶分子は、その長軸が前記基板に略垂直な配列を生じ、前記基板上方より観察した前記液晶層の屈折率がｎｏで表されることを特徴とする、反射型表示装置により達成される。
【０００９】
この第一の態様では、一対の電極間に電圧を印加することによりコントラストの高い反射型表示装置が得られる。液晶層を媒体に用いることで、液晶分子の屈折率異方性を用いて、電界を加えることで容易に高い反射率で、実用的な反応速度を有する反射型表示装置が得られる。
【００１０】
他の態様によれば、前記液晶層がΔｎが０．４以上の液晶材料であることとした反射型表示装置により達成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図４を参照しながら、詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明による反射型液晶表示装置１０の第１の実施形態を示している。図１（Ｂ）の概略断面図に示すように、観察者側に設けた透光性の基板１５の一方の表面にはＩＴＯ等の透明電極１４およびプリズム１７が形成されており、他方の観察者側の表面には拡散板１６が配設されている。背面側には透光性基板１５と対向するように内側に対向電極１２を備えた吸光性基板１１が配設されている。また、両基板１１、１５の間には液晶層１３が挟持されており、その周辺部をシール１８により気密的に接着固定することで封止している。
【００１４】
反射型液晶表示装置１０は以上のように構成されており、透明電極１４と対向電極１２との間に電界をかけることにより液晶層１３の液晶分子を駆動して表示するものとされている。液晶層１３に電界を印加しない状態においては、図面左側に示したように液晶分子は水平に配列するものとされ、電界を印加した状態、すなわち、図面右側においては、液晶分子が垂直に配列するものとされ、この液晶分子の配列の切換による屈折率の変化により表示のＯＮ−ＯＦＦを制御する。
【００１５】
ここで、本発明による反射型液晶表示装置１０による表示制御について説明するまえに、本発明によるプリズムを用いた表示装置の原理について図３を参照して説明する。
符号２７にて示すものはプリズムで、該プリズム２７は平板なガラス基板２５上に形成したＩＴＯ透明電極２４の上に、臨界角よりも小さな角度にて進入してきた入射光ａを反射するように四角錐などの所定形状の凹凸表面となるように透光性材料により形成したもので、例えば、紫外線硬化樹脂などを用いて所定形状に作成されている。
符号２１にて示すものは黒色の吸光性基板２１で、黒色の光吸収面をプリズム２７の凹凸表面と対向するように設置している。このように配置すると、プリズム２７と吸光性基板２１との間に空隙２２が生じる。
【００１６】
ここで、プリズム２７の凹凸面における反射条件について検討する。全反射角θｃはスネルの法則よりθｃ＝ｃｏｓ^−１（ｎ２／ｎ１）にて表現することができる。境界面の接線から図った角度である入射角θ１が全反射角θｃよりも小さければ全反射が起こるから、プリズムの角度を調整することで広い視認範囲に対して全反射面とすることができる。
【００１７】
図３（Ａ）は大気中における状態を示す。大気中においては空隙２２に空気が存在するため、この空隙部分における屈折率は１．０である。プリズム２７として屈折率が約１．５のプリズムを用いた場合には、臨界角すなわち全反射角θｃは上記した式より４８．２度となる。よって、プリズム２７の四角錐カットの角度をこの全反射角θｃを基に設定することで、基板法線に対して広い視野範囲において入射光ａの大部分を反射光ｂとして観視することができる。
【００１８】
このとき、図面右側の（Ｂ）に示すように空隙２２にプリズム２７と同一の屈折率を有する透明充填材料２３を充填したとする。このようにすると前記した凹凸表面における全反射条件は満たされなくなり、入射光ａはプリズム２７及び透明充填材料２３を通過して黒色基板２１に到達して吸収され、反射光ｂは殆ど観察されなくなる。
すなわち、プリズム２７の凹凸面の界面と接する媒体の屈折率を変化させることで、明るい反射条件と、透過条件を切り換えることができ、特に凹凸面と対向して黒色等の吸光性基板を配置しておくことで、コントラストにすぐれた表示を行なうことができる。
【００１９】
ここで、先の第１実施形態に戻って、説明を続ける。
液晶層１３としては例えば誘電率異方性が正のトラン系の液晶材料を用い、ｄ／ｐ＝０．２５、すなわち９０度のツイスト配向をするようにカイラル材を添加した。吸光性基板１１側表面に図示しない水平配向膜を形成した後にラビング等の配向処理を施して電圧無印加状態で水平に配向するようにし、他方の透光性基板１５側には配向処理を施さず、一方の基板側の配向処理とカイラル材により液晶分子が吸光性基板１１側から９０度ツイストして配列するようにした。
【００２０】
また、プリズム１７は、三角柱形状の断面を有するプリズムを複数並設したものとし、その溝の方向と上記したラビング配向処理方向とが略等しくないように配設している。
【００２１】
液晶層１３の液晶分子は屈折率異方性を有しており。その長軸方向をＺ軸と一致させたＸ、Ｙ、Ｚの直交座標系において各軸方向の液晶分子の屈折率をｎｘ、ｎｙ、ｎｚと定義する。その場合、一軸性の液晶分子は一般に図１（Ａ）に模式的に示したようなｎｚ＞ｎｘ≒ｎｙ屈折率異方性を有するラグビーボール状であり、長軸方向の屈折率をｎｅと称し（＝ｎｚ）、短軸方向の屈折率をｎｏと称する（＝ｎｘ≒ｎｙ）。
【００２２】
まず、電界を印加しないＯＦＦ状態について説明する。図１（Ｂ）の左側に示すように液晶分子１３ａは吸光性基板１１に施したラビング配向処理方向（図面の法線方向）に沿って長軸方向が並び、そこから９０度ツイストしながら水平に配列した配向状態を示す。この液晶層１３を観視方向である上方から観察した場合において、液晶層１３の屈折率はｎｅとｎｏの平均的な値と考えられ、次式（１）のように考えられる。
式（１） √（（ｎｅ^２＋ｎｏ^２）／２）
【００２３】
ＯＦＦ状態においては、この（１）式にて表される屈折率の液晶分子１３ａとプリズム１７とが接触している。このときプリズム１７の屈折率ｎｐと上記（１）式で表される屈折率とが略等しいものとされていれば、プリズム１７と液晶層１３との界面において反射光は殆ど生じない。その場合には、入射光ａはプリズム１７および液晶層１３を通過して黒色等とした吸光性基板１１に到達し、該吸光性基板１１にて吸収されるものとなり反射光ｂは殆ど観察されない黒表示となる。
【００２４】
一方ＯＮ状態、すなわち、透明電極１４と対向電極１２の間に液晶層１３の閾値電圧以上の電圧を印加した場合には、液晶分子１３ｂは図１（Ｂ）の右側に模式的に図示したように長軸方向が垂直となるように配列する。
垂直方向に配列した液晶分子１３ｂを同じく上方から観視した場合には、屈折率ｎｏの液晶層１３が存在することになる。
【００２５】
ここでプリズム１７の屈折率ｎｐは、前記したように式（１）と略等しい屈折率とされているから、ｎｐ＞ｎｏの関係が成立する。従ってＯＮ状態においては、プリズム１７と液晶層１３との界面において反射光が生じる。このとき、プリズム１７の凹凸表面をｎｐとｎｏとの屈折率差に応じた全反射角度θｃを求めておき、これに応じた所望の角度を備えた断面形状の凹凸面としたプリズムとしておけば、入射光ａを広い視野範囲にわたって効率よく反射することが可能となる。
【００２６】
具体的には、ｎｏ＝１．５、ｎｅ（＝ｎｚ）＝１．９のトラン系液晶層１３を用い、プリズム１７としてＮＴＴアドバンステクノロジ株式会社製のｎｐ＝１．７５の透光性樹脂（＃５６１５）を用いた場合には、ＯＦＦ状態にあっては、液晶層１３の屈折率は上記式（１）より１．７１となり、両者の界面における反射は殆ど生じない。一方ＯＮ状態においては、液晶層１３の屈折率はｎｏ（＝ｎｘ＝ｎｙ）＝１．５となり、液晶層１３とプリズム１７との界面において反射光が生じる。
【００２７】
一対の電極１４、１２間に電界を加えて媒体である液晶層１３の屈折率を上記のように切り換えてＯＮ表示およびＯＦＦ表示の反射型液晶表示装置１０を観察した。ＯＮ表示においては高い反射率が得られ、法線方向で約７２％であった。また、ＯＦＦ状態においてはプリズム１７の凹凸面での反射が消失し、低反射率の表示となり、コントラストの優れた表示が得られた。なお、ＯＮ状態における両界面での全反射角θｃは３１．０度（ｄｅｇ）となるから、プリズム１７の凹凸形状表面をこの全反射角を基に調整しておくと入射する光の大部分を広い視野範囲で反射することができ好ましい。
【００２８】
なお、本実施形態においてはトラン系の一軸性の液晶を用いてラビング配向とした液晶層としたが、他のビフェニル系、ＰＣＨ系、ＣＣＨ系、アゾ系、シアノ系、フッ素系などの液晶材料であっても良く、配向もツイスト配向、一軸水平配向、垂直配向などの各種の配向制御をラビング、光配向などで施した場合にも適用できる。また、二軸性の液晶分子でも構わないが、最も大きな屈折率とそれ以外の屈折率との差が大きなものが好ましく、特にｎｅとｎｏの屈折率差Δｎが０．３以上、更に好ましくはΔｎが０．４以上の一軸性の液晶材料とすることが好ましい。
【００２９】
また、上記した実施形態においては、液晶層１３がツイスト配向している例で説明したが、液晶分子が図２に示すように図面法線方向に一軸配向処理を施して液晶分子４３ａ全体が一軸配向している液晶層４３、すなわち液晶分子４３ａの長軸方向を紙面法線方向に配列するようにして、且つ、三角柱状の断面を有する形状のプリズムを多数並設したプリズム１７の溝方向（図面において法線方向）とが同一なものとした場合には、ＯＦＦ状態における液晶層４３の屈折率は一軸に配向しているのでｎｅの屈折率と考えることができ、且つ、上記したようにプリズム１７の溝方向と平行とすることで偏光成分による反射光をも低減することができ、一層の界面反射の低減が可能となり好ましいものとなる。
【００３０】
次に本発明の第２の実施形態について説明する。図４は本発明の第２の実施形態の構成を示している。図４において、反射型表示装置３０は、図１において示した液晶層１３の代わりに光学噛み合わせ層３８を形成している。
【００３１】
観察者側のガラス製の透光性基板３５の背面側には、凹凸面３７を形成したプリズム３４が形成されており、前面側には拡散フィルム３６を貼付している。背面側には透光性基板３５と対向するように電極３２を設けた基体３１が配設され、その上には、ピエゾ素子などの圧電素子からなる形状変形素子３９、黒色吸光層３３および光学噛み合わせ層３８が順次積層されている。
【００３２】
光学噛み合わせ層３８は、プリズム３４の凹凸面３７の形状と噛み合う形状とされ、また、プリズム３４と略同一の屈折率を有する材料により形成されており、例えば逆プリズム形状を紫外線硬化樹脂により形成している。なお、光学噛み合わせ層３８は、プリズム３４の凹凸面３７と当接した際に変形して密着する軟らかな材料により作成することが好ましい。
【００３３】
形状変形素子３９は、光学噛み合わせ層３８をプリズム３４と物理的に密着可能に移動するもので、圧電素子の他、モーターによる駆動など他の手段で移動するものであっても良い。
黒色吸光層３３は、黒色印刷を形状変形素子３９表面に施すことにより形成している。なお、光学噛み合わせ層が吸光性の高い材料である場合には、省略しても構わない。
【００３４】
反射型表示装置３０は以上のように構成されており、電極３２に駆動信号を入力することで形状変形素子３９を移動させ、プリズム３４と光学噛み合わせ層３８とが図面左側（Ａ）の離れた状態から右側（Ｂ）の接近した状態、そして図示しない接触した状態を選択的に移動することができる。これにより両基板３１、３５間に挟持されたプリズム３４の凹凸部表面と接する媒体は、大気の状態の媒体とそれとは異なる屈折率の光学噛み合わせ層３８の状態の媒体とが切り換わることになる。
【００３５】
このような反射型表示装置３０によれば、図１に示した反射型液晶表示装置と同様に、光学噛み合わせ層３８がプリズム３７と離れている状態には大気との界面における反射作用での高反射表示がなされる。一方、略同一屈折率としたプリズム３７と光学噛み合わせ層３８とが密着した状態の際には、両界面における反射が低減され、両者の界面を通過した入射光は黒色吸光層３３にて吸収され、低反射表示とされる。これによりコントラストに優れ、高い反射率を有する明るい表示を得ることができる。
【００３６】
なお、上述した実施形態においては、観察者側に拡散フィルム３６を配設して視認性を高めている例について説明したが、拡散フィルム等の散乱板は省略したものでも良い。
しかし、プリズムと基板との界面における反射光など、プリズム凹凸面における界面での反射光を著しく低減した低反射状態においても反射光や、透光性基板表面での反射光は存在する。それゆえ、上記した拡散フィルムや、同一出願人による特願平９−２１９５８４号に記載したような、所定の厚みを有し、該厚み方向の一方の面から他方の面に透過する光を拡散する度合いと、該他方の面から該一方の面に透過する光を拡散する度合いが異なる光拡散板を用いたり、透明な媒体と該媒体中に混入された前記媒体の屈折率と異なる屈折率の粒子とを含み、前記粒子の混入密度が前記厚み方向に関して変化するように前記粒子が該媒体中に分布している前記した拡散する度合いが異なる光拡散板などを配設することで、表示コントラストをさらに高めることができ好ましいものとなる。
【００３７】
また、プリスムは紫外線硬化樹脂を用いて、基板上に直接形成する例について説明したが、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、エポキシ樹脂などの硬化性の樹脂を所望の凹凸形状とした金型表面に薄く塗布した状態で硬化させてフィルム状とした薄膜プリズムのように、別体に形成したものを基板に貼付するものであっても良い。また、凹凸面の形状もプリズムの頂角、密度、頂部もしくは下端部の形状および平坦性などを適宜設計することで任意のプリズムを用いることができる。例えば、感光性樹脂に所望のフォトマスクを介して露光した後に熱処理を施す際に、その温度等を設定することで、感光性樹脂の表面張力を利用して所定形状のマイクロレンズアレイを形成したもの等を用いることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、プリズムと接する媒体の屈折率を変化させることで、屈折率差の大きな場合のプリズムによる屈折率反射の関係を利用した高反射率表示と、屈折率差の殆どない場合の低反射率表示とを切り換えることができ、これにより、偏光板を用いた反射型表示装置では実現不可能な５０％以上の高い反射率を示す明るい表示と、高いコントラストを有する優れた表示品位の反射型表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の反射型液晶表示装置を説明する概略断面図である。
【図２】第１の実施形態の別の反射型液晶表示装置を説明する概略断面図である。
【図３】本発明の反射型表示装置の原理を説明するための概略断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の反射型表示装置を説明する概略断面図である。
【図５】従来の反射型液晶表示装置を説明する概略断面図である。
【符号の説明】
１０、３０反射型液晶表示装置
１１、２１、３１吸光性基板
１２、３２電極
１３、４３液晶層
１４、２４ＩＴＯ透明電極
１５、２５、３５透光性基板
１６拡散板
１７、２７、３４プリズム
１８シール
２２空隙
２３充填材料
３３黒色吸光層
３６拡散フィルム
３７凹凸面
３８光学噛み合わせ層
３９形状変形素子
９０反射型液晶表示装置
９１反射板
９２液晶表示装置
９３基板
９４偏光板
９５液晶層
９６透明電極
９７シール

Claims

透光性の基板と、その背面側に配設された凹凸表面を有するプリズムと、前記透光性基板と対向するように該基板背面側に配設した電極を備える対向基板と、両基板間に挟持された媒体とを備えた反射型の表示装置であって、
前記媒体は、前記プリズム凹凸表面と接触する媒体の状態が、前記プリズムの屈折率と略等しい屈折率となる一方の状態の媒体と、前記プリズムの屈折率よりも小さな屈折率を示す他方の状態の媒体の少なくとも２つの屈折率の異なる媒体に、電気的信号により変更することが可能であり、
前記一方の状態の媒体の場合には、前記プリズムと媒体との界面における前記透光性基板側からの入射光の反射が低減され、前記他方の状態の媒体の場合には、前記プリズムと媒体との界面における前記透光性基板側からの入射光の多くが全反射するように、前記プリズムの凹凸表面が形成されており、
前記媒体が、屈折率異方性を示す液晶層であり、カイラル材を含み、
前記一方の状態において、前記媒体に含まれる液晶分子は、前記カイラル材によりツイストする配列を生じ、液晶分子の長軸方向の屈折率をｎｅ、短軸方向の屈折率をｎｏとしたとき、前記ツイストする配列の軸上より観察した前記液晶層の屈折率が、［（ｎｅ ^２＋ｎｏ ^２）／２］ ^１／２で表され、
前記他方の状態において、前記媒体に含まれる液晶分子は、その長軸が前記基板に略垂直な配列を生じ、前記基板上方より観察した前記液晶層の屈折率がｎｏで表されることを特徴とする、反射型表示装置。
前記液晶層がΔｎが０．４以上の液晶材料からなり、
前記一方の状態において、前記液晶分子の配列がその長軸を前記基板に略平行とし、前記ツイストの角度が略９０°であることを特徴とする、請求項１に記載の反射型液晶表示装置。
前記媒体の背面側には、吸光材料が設置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の反射型表示装置。