JP4633113B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は表示装置に関し、特に液晶層を用いた表示装置に関する。

近来、液晶表示装置は、薄型、軽量等の特徴を有するフラットパネルディスプレイとして、液晶テレビ、モニター、携帯電話などに広く利用されている。しかしながら、現在最も広く利用されている液晶表示装置は、偏光板を２枚もしくは１枚用いた方式であり、光の利用効率が低いという問題がある。

これまでも、偏光板を使用しない表示方式として、ゲストホスト液晶を利用する方式や高分子分散液晶を利用する方式が提案されているが、コントラスト比が低い、あるいは駆動電圧が高いなどの欠点から実用化されるに至っていない。

更に、偏光板を使用しない他の表示方式として、液晶層と基板または導光板との界面における全反射／透過を制御する方式（以下、「全反射方式」という。）が提案されている。

例えば、特許文献１は、液晶層の配向状態を変化させることによって、液晶層と隣接して配置された導光板内を伝播する光が液晶層と導光板との界面で全反射される状態と透過する状態とを切り替え、全反射状態で黒表示を行い、透過状態で白表示を行う表示装置を開示している。白表示は、導光板から出射された光を散乱板で散乱させることによって行われている。また、特許文献２に開示されている液晶表示装置は、導光体、液晶層および反射膜をこの順に備え、液晶層の配向状態を変化させることよって、導光体から液晶層に入射する光が導光体と液晶層との界面で全反射される状態と透過する状態とを切り替え、上記界面を透過した光を反射膜で観察者側に反射することにより白表示を行う。さらに、特許文献３は、蛍光体を含む透明基板を導光板として用い、上記特許文献１と同様にして、導光板から出射される蛍光を全反射する状態と透過する状態とをスイッチングすることによって表示を行う表示装置を開示している。
特開昭５９−５８４２１号公報 特開２０００−１７１８１３号公報 特開昭６３−１１６１２１号公報

上記特許文献１から３に開示されている全反射方式の表示装置は、液晶層の配向状態を変えることによって、液晶層と液晶層に隣接する導光体との界面において光が全反射する状態と透過する状態とを切り替えるので、駆動電圧が高いという問題がある。液晶層の界面近傍の液晶分子は、それが接する表面（典型的には配向膜）によって配向規制されており比較的高い電圧を印加しないと配向が変化しない。一般に、電圧に応答し難い界面近傍の液晶分子が構成する層（厚さが数百ｎｍ程度）はアンカリング層と呼ばれ、アンカリング層の液晶分子の配向を変化させるためには、例えば、数十ボルト〜数百ボルトの電圧が必要である。

このような高い電圧で動作するトランジスタを用いてアクティブマトリクス型の表示装置を工業的に生産することは不可能である。

本発明は上記諸点に鑑みてなされたものであり、本発明の主な目的は、従来の全反射方式の表示装置のような高い駆動電圧を必要とせず、液晶層の配向状態を変化させることによって、液晶層に入射する光に対する透過状態／非透過状態を切り替えて、表示を行う表示装置を提供することにある。

本発明の表示装置は、互いに対向する第１主面と第２主面とを有する液晶層と、前記液晶層に電圧を印加する複数の電極と、前記液晶層の前記第１主面側に設けられた蛍光体層と、前記液晶層の前記第２主面に向けて、前記蛍光体層を励起する光を出射する照明装置とを備え、前記液晶層は、所定の電圧が印加されたときに、第２主面近傍のアンカリング層の液晶分子と異なる方向に配向した液晶分子を含む中間層を形成し、第２主面近傍の前記アンカリング層を透過した直線偏光を、前記中間層内またはその近傍において前記第２主面に向けて屈折し、前記液晶層に電圧を印加していない状態で前記蛍光体層が発光する光を用いて表示を行い、前記液晶層に電圧を印加した状態で黒表示を行うことを特徴とする。

ある実施形態において、前記アンカリング層を透過した前記直線偏光に対する前記中間層の屈折率は、前記アンカリング層の屈折率よりも小さい。

ある実施形態において、前記照明装置から前記第２主面に向けて出射される前記直線偏光は、前記アンカリング層の液晶分子の長軸と平行な成分を有する。

ある実施形態において、前記液晶層は誘電率異方性が正の液晶分子を含む垂直配向型液晶層であり、前記複数の電極は、前記液晶層に横電界を印加する複数の電極であって、前記直線偏光はｐ偏光である。

ある実施形態において、前記液晶層は誘電率異方性が負の液晶分子を含む垂直配向型液晶層であり、前記複数の電極は、前記液晶層を介して互いに対向するように配置された複数の電極であって、前記直線偏光はｐ偏光である。

ある実施形態において、前記液晶層は誘電率異方性が正の液晶分子を含む水平配向型液晶層であり、前記複数の電極は、前記液晶層に横電界を印加する複数の電極であって、前記直線偏光はｓ偏光である。

ある実施形態において、前記液晶層は誘電率異方性が正の液晶分子を含む水平配向型液晶層であり、前記複数の電極は、前記液晶層を介して互いに対向するように配置された複数の電極であって、前記直線偏光はｓ偏光である。

ある実施形態において、前記蛍光体層の前記液晶層とは反対側に反射層を有する。

ある実施形態において、前記反射層は、再帰反射層である。

ある実施形態において、前記蛍光体層の前記液晶層とは反対側に光吸収層をさらに有する。

ある実施形態において、前記照明装置は、光源と導光板とを備える。

ある実施形態において、前記照明装置は、前記光源と前記導光板との間に偏光選択膜をさらに備える。

ある実施形態において、前記照明装置は、前記導光板を介して前記光源に対向するように配置された反射層をさらに有する。

ある実施形態において、前記照明装置は、前記反射層と前記導光板との間に４分の１波長板をさらに備える。

ある実施形態において、前記蛍光体層は前記液晶層の前面側に配置されており、前記照明装置は前記液晶層の背面側に配置されている。

ある実施形態において、前記照明装置は、複数のあなを背面に有する平行平板型の導光板と、前記複数のあなのそれぞれに設けられた反射構造体と、それぞれが前記反射構造体に向かって光を出射する複数の光源とを備える。

ある実施形態において、前記導光板の背面側にさらに光吸収層を有する。

ある実施形態において、前記導光板と前記光吸収層との間に、前記導光板よりも屈折率の低い層が設けられている。

本発明の表示装置が有する液晶層は、所定の電圧が印加された状態で、アンカリング層を透過した直線偏光を中間層で屈折し、光を入射してきた方向に屈折させる。液晶層は、入射した直線偏光を見かけ上全反射しているかのように作用する。本発明の表示装置においては、液晶層の中間層の当該直線偏光に対する屈折率がアンカリング層の屈折率と異なればよく、すなわち、アンカリング層の配向状態が変化する必要が無い。従って、本発明の表示装置は、従来のトランジスタを利用できる程度の低電圧で、液晶層に入射する光に対する透過状態／非透過状態を切り替えて表示を行うことができる。

本発明の表示装置は、液晶層の上述の機能を利用して、蛍光体層に入射する励起光を制御することによって、蛍光を利用した表示を行う。

本発明による実施形態の液晶表示装置１０の構成と動作を説明するための模式図である。 本発明による実施形態の液晶表示装置１０の駆動電圧に対する明るさを示すグラフである。 本発明による他の実施形態の液晶表示装置２０の構成と動作を説明するための模式図である。 本発明による更に他の実施形態の液晶表示装置３０の構成と動作を説明するための模式図である。 参考例の液晶表示装置４０の構成と動作を説明するための模式図である。 本発明による実施形態の垂直配向型液晶層を備える液晶表示装置１００の構成と動作を説明するための図である。 本発明による実施形態の垂直配向型液晶層を備える液晶表示装置１００の構成と動作を説明するための他の図である。 本発明による実施形態の垂直配向型液晶層を備える他の液晶表示装置２００の構成と動作を説明するための図である。 本発明による実施形態の水平配向型液晶層を備える液晶表示装置３００の構成と動作を説明するための図である。 本発明による実施形態の水平配向型液晶層を備える他の液晶表示装置４００の構成と動作を説明するための図である。 本発明による実施形態の蛍光表示装置５００の構成と動作を説明するための図である。 本発明による実施形態の他の蛍光表示装置６００の構成と動作を説明するための図である。 本発明による実施形態の更に他の蛍光表示装置７００の構成と動作を説明するための図である。 蛍光表示装置７００に用いられる反射層７１７の構成を示す模式的な断面図である。 本発明による実施形態のさらに他の蛍光表示装置８００の構成と動作を説明するための模式図である。 本発明による実施形態のさらに他の蛍光表示装置９００の構成と動作を説明するための模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、蛍光表示装置９００に用いられる反射構造体９３５の構成を説明するための模式図である。 従来の全反射方式の液晶表示装置８０の動作を説明するための模式図である。 従来の全反射方式の他の液晶表示装置９０の動作を説明するための模式図である。

符号の説明

１２、５１２ 液晶層
１２ａ、５１２ａ アンカリング層
１２ｂ、５１２ｂ 中間層
１４ａ、１４ｂ、５１４ａ、４１４ｂ 電極
１６ 導光板
１８ 反射板
１８ａ 傾斜反射層
１１６ 前面基板（導光板）
１１７ 背面基板
１２０ 光吸収層
５１８ 蛍光体層
５３０ 照明装置
５３２ 光源

以下に、図面を参照しながら、本発明による実施形態の表示装置の構成と動作を説明する。

まず、上述した従来技術の全反射方式の液晶表示装置と対比しながら、本発明の表示装置の動作原理を説明する。

図１６は従来の全反射方式の液晶表示装置８０の動作を説明するための模式図であり、左側が電圧無印加状態（電圧ＯＦＦ）、右側が電圧印加状態（電圧ＯＮ）を示している。上述した特許文献１に記載の液晶表示装置はこの液晶表示装置８０と同様に動作するものである。

液晶表示装置８０は、水平配向型の液晶層８２と、液晶層８２に電圧を印加するための電極８４ａおよび８４ｂと、液晶層８２の観察者側（「前面側」ということがある。）に液晶層８２に隣接して配置された導光板８６と、液晶層８２の観察者側とは反対側（「背面側」ということがある。）に配置された反射板８８とを有している。反射板８８は表示面（液晶層面）に対して傾斜した傾斜反射層８８ａを有しており、液晶層８２を透過した光を前面側に反射する。

光源（不図示）から出射された光（ｐ偏光とｓ偏光とを含む）は、導光板８６内を伝播する。ここで、導光板８６の屈折率ｎｓは、液晶層８２を構成する液晶分子の異常光屈折率ｎｅ（＝ｎ‖：液晶分子の長軸に平行な方向の屈折率）と略一致するように設定されている（ｎｓ≒ｎｅ）。液晶層８２を構成する液晶分子は正の誘電率異方性（Δε＞０）を有し、ｎｅ＞ｎｏ（ｎｏは常光屈折率（＝ｎ⊥：液晶分子の長軸に直交する方向の屈折率））の関係を有している。

ｐ偏光に着目する。導光板８６内を伝播するｐ偏光に対する液晶層８２の屈折率は、電圧無印加状態（図中左側）ではｎｏであるので、ｐ偏光は、ｎｓ≠ｎｏの関係にある導光板８６と液晶層８２との界面で全反射され、液晶層８２内に入射することなく、導光板８６内を伝播する。一方、電圧印加状態（図中右側）では、導光板８６内を伝播するｐ偏光に対する液晶層８２の屈折率は略ｎｅとなるので、ｎｓ≒ｎｅの関係にある導光板８６と液晶層８２との界面で全反射されることなく液晶層８２を透過する。液晶層８２を透過した光は、傾斜反射層８８ａで反射されて観察者側に出射される。このようにｐ偏光を用いると、電圧ＯＦＦ状態において黒表示を、電圧ＯＮ状態において白表示を行うことができる。

しかしながら、導光板８６と液晶層８２との界面での反射をなくすためには、液晶層８２の厚さ方向の中間に位置する中間層８２ｂの液晶分子の配向だけでなく、導光板８６側の界面近傍のアンカリング層８２ａの液晶分子をほぼ垂直に配向させる必要がある。アンカリング層８２ａの液晶分子の配向を変化させるために数十ボルト以上の高い電圧が必要であるので、トランジスタを用いるアクティブマトリクス型の表示装置を工業的に生産することは不可能である。

なお、ｓ偏光に着目すると、導光板８６内を伝播するｓ偏光に対する液晶層８２の屈折率は、電圧無印加状態ではｎｅであるので、ｓ偏光は、ｎｓ≒ｎｅの関係にある導光板８６と液晶層８２との界面で全反射されることなく液晶層８２を透過した後、傾斜反射層８８ａで反射されて観察者側に出射される。一方、電圧印加時には、ｓ偏光に対する液晶層８２の屈折率はｎｏ（≠ｎｓ）となるので、導光板８６と液晶層８２との界面で全反射されることになる。これは、上述したｐ偏光の振る舞いと逆である。従って、特許文献１には記載されていないが、ｐ偏光を用いて上述の表示動作を行うためには、ｓ偏光を除去する必要がある。

次に、図１７を参照して従来の他の全反射方式の液晶表示装置９０の動作を説明する。上述した特許文献２および３に記載の液晶表示装置はこの液晶表示装置９０と同様に動作するものである。

液晶表示装置９０は、液晶層として垂直配向型液晶層９２を備える点で、液晶表示装置８０と異なる。図１７において、液晶表示装置８０の構成要素と同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、ここでは説明を省略する。

液晶層９２の液晶分子は、液晶層８２の液晶分子と同じ屈折率（ｎｅおよびｎｏ）を有しており、導光板８６の屈折率ｎｓは液晶層８２を構成する液晶分子の異常光屈折率ｎｅ（＝ｎ‖）と略一致するように設定されている（ｎｓ≒ｎｅ）。但し、液晶層９２の液晶分子の誘電率異方性は負である。

図１７の左側に示したように、電圧無印加状態において、液晶層９２の液晶分子は垂直に配向しており、導光板８６内を伝播するｓ偏光に対する液晶層９２の屈折率は、電圧無印加状態ではｎｏであるので、ｓ偏光は、ｎｓ≠ｎｏの関係にある導光板８６と液晶層９２との界面で全反射され、液晶層９２内に入射することなく、導光板８６内を伝播する。一方、電圧印加状態（図中右側）では、導光板８６内を伝播するｓ偏光に対する液晶層９２の屈折率は略ｎｅとなるので、ｎｓ≒ｎｅの関係にある導光板８６と液晶層９２との界面で全反射されることなく液晶層９２を透過する。液晶層９２を透過した光は、傾斜反射層８８ａで反射されて観察者側に出射される。このように、ｓ偏光を用いると電圧ＯＦＦ状態において黒表示、電圧ＯＮ状態において白表示を行うことができる。

この液晶表示装置９０においても、導光板８６と液晶層９２との界面での反射をなくすためには、液晶層９２の厚さ方向の中間に位置する中間層９２ｂの液晶分子の配向だけでなく、導光板８６側の界面近傍のアンカリング層９２ａの液晶分子をほぼ水平に配向させる必要がある。アンカリング層９２ａの液晶分子の配向を変化させるために数十ボルト以上の高い電圧が必要であるので、トランジスタを用いるアクティブマトリクス型の表示装置を工業的に生産することは不可能である。

なお、ｐ偏光に着目すると、導光板８６内を伝播するｐ偏光に対する液晶層９２の屈折率は、電圧無印加状態ではｎｅであるので、ｐ偏光は、ｎｓ≒ｎｅの関係にある導光板８６と液晶層９２との界面で全反射されることなく液晶層９２を透過した後、傾斜反射層８８ａで反射されて観察者側に出射される。一方、電圧印加時には、ｐ偏光に対する液晶層９２の屈折率はｎｏ（≠ｎｓ）となるので、導光板８６と液晶層９２との界面で全反射されることになる。これは、上述したｓ偏光の振る舞いと逆である。従って、特許文献２および３には記載されていないが、ｓ偏光を用いて上述の表示動作を行うためにはｐ偏光を除去する必要がある。

本発明による実施形態の液晶表示装置は、上記従来の全反射方式の液晶表示装置とは異なり、液晶層は、所定の電圧が印加された状態で、アンカリング層を透過した直線偏光を中間層で屈折し、光を入射してきた方向に屈折させる。液晶層は、入射した直線偏光を見かけ上全反射しているかのように作用する。本発明による実施形態の液晶表示装置においては、液晶層の中間層の当該直線偏光に対する屈折率がアンカリング層の屈折率と異なればよく、すなわち、アンカリング層の配向状態が変化する必要が無いので、従来のトランジスタを利用できる程度の低電圧で駆動することができる。また、本発明の液晶表示装置は、液晶層に電圧を印加していない状態で白を表示し、液晶層に電圧を印加した状態で黒表示を行う。

図１Ａ、図１Ｂ、図２および図３を参照して、本発明による実施形態の液晶表示装置の構成と動作を詳細に説明する。

図１Ａに示す実施形態の液晶表示装置１０は、垂直配向型の液晶層１２と、液晶層１２に電圧を印加するための電極１４ａおよび１４ｂと、液晶層１２の前面側に液晶層１２に隣接して配置された導光板１６と、液晶層１２の背面側に配置された反射板１８とを有している。反射板１８は表示面（液晶層面）に対して傾斜した傾斜反射層１８ａを有しており、液晶層１２を透過した光を前面側に反射する。

光源（不図示）から出射された光（ｐ偏光とｓ偏光とを含む）は、導光板１６内を伝播する。ここで、導光板１６の屈折率ｎｓは、液晶層１２を構成する液晶分子の異常光屈折率ｎｅ（＝ｎ‖）と略一致するように設定されている（ｎｓ≒ｎｅ）。液晶層１２を構成する液晶分子は負の誘電率異方性（Δε＜０）を有し、かつ、正の屈折率異方性（ｎｅ＞ｎｏ）を有している。

ｐ偏光に着目する。導光板１６内を伝播するｐ偏光に対する液晶層１２の屈折率は、電圧無印加状態（図中左側）では略ｎｅなので、ｐ偏光は、ｎｓ≒ｎｅの関係にある導光板１６と液晶層１２との界面で全反射されることなく液晶層１２を透過する。液晶層１２を透過した光は、傾斜反射層１８ａで反射されて観察者側に出射される。

一方、電圧印加状態（図中右側）では、上記従来技術よりも低い電圧を印加するので、アンカリング層１２ａの配向状態は変化せず、中間層１２ｂの配向状態だけが変化する。従って、電圧印加状態においても、ｐ偏光に対するアンカリング層１２ａの屈折率は略ｎｅであり、ｐ偏光は、ｎｓ≒ｎｅの関係にある導光板１６と液晶層１２との界面で全反射されることなく液晶層１２に入射する。ｐ偏光に対する屈折率は、アンカリング層１２ａから中間層１２ｂに向かって次第に小さくなりｎｏに近づく。屈折率が変化する中間層１２ｂ内またはその近傍で、ｐ偏光は連続的に屈折され、前面側に向けられる。この液晶層１２の作用は、ｐ偏光を液晶層１２内で全反射しているかのように見える（この現象は、蜃気楼が見えるのと同じである。）。液晶層１２内で屈折し導光板１６側に向けられた光は導光板１６内を伝播し、観察者側に出射されない。なお、表示に用いられる光の入射角は界面に対して０°〜２０°の傾き（ほぼ水平）であるため、液晶分子の傾斜方向は図示した方向でなくても、同様に作用する。

このように、液晶表示装置１０は、ｐ偏光を用いて、電圧ＯＦＦ状態において白表示、電圧ＯＮ状態において黒表示を行うことができる。

なお、液晶表示装置１０において、ｓ偏光は、電圧のＯＮ／ＯＦＦに拘わらず、導光板１６と液晶層１２との界面で全反射される。液晶層１２のアンカリング層１２ａのｓ偏光に対する屈折率は、電圧のＯＮ／ＯＦＦに拘わらずｎｏ（≠ｎｓ）であるためである。従って、上述の従来技術のように、表示に用いない偏光を除去するための構成を別途設ける必要がない。

図１Ｂに、図１Ａに示した液晶表示装置１０の駆動電圧と明るさとの関係を示す。図１Ｂから明らかなように、液晶表示装置１０は、４ボルト以下の電圧で駆動することができる。このように、液晶表示装置１０では、アンカリング層１２ａの配向状態が変わらないような電圧を印加して、液晶層１２内における「屈折」を利用して表示を行うので、従来のトランジスタを利用できる程度の低電圧で駆動することができる。

次に、図２を参照しながら、本発明による実施形態の他の液晶表示装置２０の構成と動作を説明する。以下の図において、図１Ａに示した液晶表示装置１０の構成要素と同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略する。

液晶表示装置２０の液晶層２２は、液晶表示装置１０の液晶層１２と同じ液晶分子から構成される。但し、電圧を印加したときに液晶分子が倒れる方向が、液晶層１２では導光板１６内の光の伝播方向に平行であったのに対して、液晶層２２においては導光板１６内の光の伝播方向に直交する方向になっている。液晶分子が倒れる方向は例えば垂直配向膜をラビングすることによって規定することができる。

ｐ偏光に着目する。導光板１６内を伝播するｐ偏光に対する液晶層２２の屈折率は、電圧無印加状態（図中左側）では略ｎｅなので、ｐ偏光は、ｎｓ≒ｎｅの関係にある導光板１６と液晶層２２との界面で全反射されることなく液晶層２２を透過する。液晶層２２を透過した光は、傾斜反射層１８ａで反射されて観察者側に出射される。

一方、電圧印加状態（図中右側）では、上記従来技術よりも低い電圧を印加するので、アンカリング層２２ａの配向状態は変化せず、中間層２２ｂの配向状態だけが変化する。従って、電圧印加状態においても、ｐ偏光に対するアンカリング層２２ａの屈折率は略ｎｅであり、ｐ偏光は、ｎｓ≒ｎｅの関係にある導光板１６と液晶層２２との界面で全反射されることなく液晶層２２に入射する。ｐ偏光に対する屈折率は、アンカリング層２２ａから中間層２２ｂに向かって次第に小さくなりｎｏに近づく。屈折率が変化する中間層２２ｂ内またはその近傍で、ｐ偏光は連続的に屈折され、前面側に向けられる。この液晶層２２の作用は、ｐ偏光を液晶層２２内で全反射しているかのように見える。液晶層２２内で屈折し導光板１６側に向けられた光は、導光板１６内を伝播し、観察者側に出射されない。

このように、液晶表示装置２０は、液晶表示装置１０と同様に、ｐ偏光を用いて、電圧ＯＦＦ状態において白表示、電圧ＯＮ状態において黒表示を行うことができる。

図１Ａおよび図２においては、垂直配向型の液晶層１２および２２にカイラル剤を含んでいない液晶層を示したが、液晶層にカイラル剤を添加することによって視角特性を改善することができる。

次に、図３を参照しながら、本発明による実施形態のさらに他の液晶表示装置３０の構成と動作を説明する。

液晶表示装置３０の液晶層３２は、水平配向型の液晶層であり、誘電率異方性は正（Δε＞０）である。導光板１６の屈折率ｎｓは、先の例と同様に、液晶層３２を構成する液晶分子の異常光屈折率ｎｅ（＝ｎ‖＞ｎｏ＝ｎ⊥）と略一致するように設定されている（ｎｓ≒ｎｅ）。

ここでは、ｓ偏光に着目する。導光板１６内を伝播するｓ偏光に対する液晶層３２の屈折率は、電圧無印加状態（図中左側）では略ｎｅなので、ｓ偏光は、ｎｓ≒ｎｅの関係にある導光板１６と液晶層３２との界面で全反射されることなく液晶層３２を透過する。液晶層３２を透過した光は、傾斜反射層１８ａで反射されて観察者側に出射される。

一方、電圧印加状態（図中右側）では、上記従来技術よりも低い電圧を印加するので、アンカリング層３２ａの配向状態は変化せず、中間層３２ｂの配向状態だけが変化する。従って、電圧印加状態においても、ｓ偏光に対するアンカリング層３２ａの屈折率は略ｎｅであり、ｓ偏光は、ｎｓ≒ｎｅの関係にある導光板１６と液晶層３２との界面で全反射されることなく液晶層３２に入射する。ｓ偏光に対する屈折率は、アンカリング層３２ａから中間層３２ｂに向かって次第に小さくなりｎｏに近づく。屈折率が変化する中間層３２ｂ内またはその近傍で、ｓ偏光は連続的に屈折され、前面側に向けられる。この液晶層３２の作用は、ｓ偏光を液晶層３２内で全反射しているかのように見える。液晶層３２内で屈折し導光板１６側に向けられた光は、導光板１６内を伝播し、観察者側に出射されない。

このように、水平配向型の液晶層３２を有する液晶表示装置３０は、ｓ偏光を用いて、電圧ＯＦＦ状態において白表示、電圧ＯＮ状態において黒表示を行うことができる。

なお、液晶表示装置３０において、ｐ偏光は、電圧のＯＮ／ＯＦＦに拘わらず、導光板１６と液晶層３２との界面で全反射される。液晶層３２のアンカリング層３２ａのｐ偏光に対する屈折率は、電圧のＯＮ／ＯＦＦに拘わらずｎｏ（≠ｎｓ）であるためである。従って、上述の従来技術のように、表示に用いない偏光を除去するための構成を別途設ける必要がない。

ただし、水平配向型の液晶層を用いる場合は、アンカリング層３２ａの液晶分子の配向方向（例えばラビング方向）は、図３に示したように、導光板１６内の光の伝播方向に略直交する方向にする必要がある。図４に示す液晶表示装置４０の液晶層４２のように、アンカリング層４２ａの液晶分子の配向方向が導光板１６内の光の伝播方向に平行であると、電圧の印加の有無によって中間層４２ｂの配向状態が変化してもアンカリング層４２ａの配向状態は変化しないので、ｓ偏光もｐ偏光もともに常に全反射されることになり、表示を行うことができない。また、図１Ａおよび図２に示した液晶表示装置では、垂直配向型液晶層にカイラル剤を添加してもよいが、水平配向型液晶層を用いる場合にはカイラル剤を添加することは好ましくない。液晶層のツイスト角が大きくなり過ぎると、アンカリング層を透過したｓ偏光が電圧のＯＮ／ＯＦＦに拘わらず中間層で屈折されることになるからである。

上述の説明では、液晶層に電圧を印加する電極として、液晶層の上下（前面側と背面側）に設けた電極（典型的には画素電極と対向電極）を例示したが、本発明による実施形態の液晶表示装置の構成はこれに限られない。以下に、本発明による実施形態の液晶表示装置のより具体的な構成を説明する。

まず、図５Ａ、図５Ｂおよび図６を参照して、垂直配向型液晶層を備える表示装置の構成と動作を具体的に説明する。

図５Ａおよび図５Ｂに示す液晶表示装置１００は、誘電率異方性が正の液晶分子から構成された垂直配向型液晶層１１２を備え、ｐ偏光を利用して表示を行う。液晶分子の誘電率異方性と液晶層に印加する電界の方向が異なるものの、液晶表示装置１００の動作原理は図１Ａに示した液晶表示装置１０と同様である。

液晶表示装置１００は、液晶層１１２と、液晶層１１２に電圧を印加する複数の電極１１４ａおよび１１４ｂと、液晶層１１２の一方の主面に向けて光を出射する照明装置１３０とを備えている。電極１１４ａおよび１１４ｂは、液晶層面内に配置されており、液晶表示装置１００は、いわゆる横電界モードの液晶表示装置である。

液晶表示装置１００の液晶層１１２は、前面基板１１６と背面基板１１７との間に設けられており、前面基板１１６は照明装置１３０の導光板を兼ねている。また、背面基板１１７の液晶層１１２側には反射板１１８が設けられており、反射板１１８は表示面（液晶層面）に対して傾斜した傾斜反射層１１８ａを有しており、液晶層１１２を透過した光を前面側に反射する（図５Ａ）。さらに、背面基板１１７の背面側には光吸収層１２０が設けられており、光吸収層１２０は、反射板１１８の傾斜反射層１１８ａを支持する側面から透過した不要な光を吸収する（図５Ｂ）。光吸収層１２０が吸収する光は、周囲光であり、この光吸収層１２０を設けることによって直視型の表示が可能となる。なお、これを省略しても、例えば投影型表示装置用の液晶表示パネルとして用いることができる。

照明装置１３０は、白色光源１３２と、偏光選択膜１３４と、導光板として機能する前面基板１１６とを有する。白色光源１３２から出射された光（ｓ偏光とｐ偏光とを含む）は偏光選択膜１３４に入射し、ｐ偏光だけが前面基板１１６に向けて出射される。このような偏光選択膜１３４としては、例えば３Ｍ社製のＤＢＥＦを用いることができる。ＤＢＥＦの透過方向を縦（図の紙面に対して平行）にして配置することにより、ｐ偏光のみを前面基板１１６に導入することができる。図１Ａ等を参照しながら説明したように偏光選択膜を省略してもｐ偏光だけを前面基板１１６から液晶層１１２に向けて出射させることができるが、偏光選択膜１３４を用いることによって光の利用効率を向上できる。さらに、光源１３２が配置された前面基板１１６の側面に対向する側面に反射層（不図示）を設けることによって更に光の利用効率を向上することができる。この場合、前面基板１１６の側面と反射層との間に４分の１波長板（不図示）を設けることが好ましい。導光板としても機能する前面基板１１６としては、例えば屈折率（ｎｓ）が１．６２のガラス基板を用いる。なお、背面基板１１７にも同様のガラス基板を用いることができるが、屈折率に制限はない。また、前面基板１１６および背面基板１１７はガラス基板に限られず、透明で光学的に等方的な材料からなる基板であればよく、高分子フィルムを用いることもできる。

液晶層１１２を構成する液晶材料は、正の屈折率異方性（ｎｅ＝１．６１７０、ｎｏ＝１．４８９６）を有し、かつ、正の誘電率異方性（Δε＞０）を有するネマチック液晶材料を用いる。液晶層１１２の両側に公知の垂直配向膜（不図示）を設けることによって、液晶分子を垂直配向させることができる。

液晶層１１２に電圧を印加するための電極１１４ａおよび１１４ｂは、例えば公知のＩＰＳモードの液晶表示装置と同様の構成を採用することができる。電極１１４ａおよび／または１１４ｂは、例えばＴＦＴなどのスイッチング素子（不図示）を介して所定の電圧が供給される。ここで、電極１１４ａおよび１１４ｂは、前面基板１１６内の光の伝播方向に沿って互いに対向するように配置されている。すなわち、電極１１４ａおよび１１４ｂ間に生成される電界の向きが光の伝播方向と平行になるように配置されている。従って、液晶層１１２に電圧を印加した際に液晶分子が倒れる（傾斜する）方向は、前面基板１１６内の光の伝播方向にほぼ平行となる。

このように横電界モードを採用すると、前面基板１１６と液晶層１１２との間に透明電極（典型的にはＩＴＯ層）を設ける必要が無いので、透明電極との界面における光の透過率のロスがないという利点が得られる。

反射板１１８としては、公知の傾斜反射板を用いることができる。例えば、所定の形状に加工したレジスト層の傾斜面上に、例えばＡｌまたはＡｌ合金を用いて傾斜反射層１１８ａを形成することによって得られる。傾斜反射層１１８ａの傾斜角（基板面に対する角度、図では水平方向からの角度）は、２６度以上５３度以下の範囲が好ましく、例えば３９度に設定される。

背面基板１１７の背面に設けられる光吸収層１２０は、例えば黒色樹脂層である。

図５Ａの左側を参照しながら、電圧無印加状態の動作を説明する。

前面基板１１６を導光しているｐ偏光に対する液晶層１１２の屈折率は、電圧無印加状態では略ｎｅなので、ｐ偏光は、ｎｓ≒ｎｅの関係にある前面基板１１６と液晶層１１２との界面で全反射されることなく液晶層１１２を透過する。液晶層１１２を透過した光は、傾斜反射層１１８ａで反射されて観察者側に出射される。

図５Ａの右側を参照しながら、電圧印加状態の動作を説明する。

電圧印加状態（図中右側）では、アンカリング層１１２ａの配向状態は変化せず、中間層１１２ｂの配向状態だけが変化する。したがって、電圧印加状態においても、ｐ偏光に対するアンカリング層１１２ａの屈折率は略ｎｅであり、ｐ偏光は、ｎｓ≒ｎｅの関係にある前面基板１１６と液晶層１１２との界面で全反射されることなく液晶層１１２に入射する。ｐ偏光に対する屈折率は、アンカリング層１１２ａから中間層１１２ｂに向かって次第に小さくなりｎｏに近づく。屈折率が変化する中間層１１２ｂ内またはその近傍で、ｐ偏光は連続的に屈折され、前面側に向けられる。この液晶層１１２の作用は、ｐ偏光を液晶層１１２内で全反射しているかのように見える。液晶層１１２内で屈折し前面基板１１６側に向けられた光は、前面基板１１６内を伝播し、観察者側に出射されない。

このように、液晶表示装置１００は、液晶層１１２に電圧を印加していない状態で白を表示し、液晶層１１２に電圧を印加した状態で黒表示を行う。

図６に示す液晶表示装置２００は、垂直配向型の液晶層２１２が誘電率異方性が負の液晶分子から構成されている点、および、液晶層２１２に電圧を印加するための電極２１４ａおよび２１４ｂが液晶層２１２の背面側と前面側に配置されている点において、図５Ａに示した液晶表示装置１００と異なる。以下の図において、液晶表示装置１００の構成要素と同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略する。

液晶表示装置２００も、液晶表示装置１００と同様の動作原理に基づいて、ｐ偏光を用いて表示を行う。アンカリング層２１２ａの配向状態は電圧の印加によって変化せずｐ偏光を透過し、電圧印加によって中間層２１２ｂの配向状態だけが変化しｐ偏光を前面基板１１６側に屈折することによって、電圧無印加時に白、電圧印加時に黒を表示する。

電極２１４ａおよび２１４ｂの構成としては、例えば公知のＴＦＴ型液晶表示装置と同様の構成を採用することができる。例えば、電極２１４ａはマトリクス状に配置された画素電極であり、電極２１４ｂは対向電極（共通電極）である。典型的には、いずれもＩＴＯなどの透明導電膜で形成される。この構成を採用すると、前面基板１１６と液晶層２１２との間に設けられた電極２１４ａによる光のロスがあるものの、横電界モードのように画素内に遮光性の材料で形成された電極を設けることによる画素開口率の低下がない。

次に、図７および図８を参照して、水平配向型液晶層を備える表示装置の構成と動作を具体的に説明する。

図７に示す液晶表示装置３００は、誘電率異方性が正の液晶分子から構成された水平配向型の液晶層３１２を有する点、および照明装置３３０がｓ偏光を液晶層３１２に出射するように構成されている点において、図５Ａに示した液晶表示装置１００と異なる。液晶表示装置３００は、図３に示した液晶表示装置３０と同様の動作原理に基づいて、ｓ偏光を用いて表示を行う。但し、液晶表示装置３００は以下に説明するように、横電界モードで動作する。

照明装置３３０は、白色光源３３２と、偏光選択膜３３４と、導光板として機能する前面基板１１６とを有している。白色光源３３２から出射された光（ｓ偏光とｐ偏光とを含む）は偏光選択膜３３４に入射し、ｓ偏光だけが前面基板１１６に向けて出射される。このような偏光選択膜３３４としては、例えば３Ｍ社製のＤＢＥＦを用いることができる。ＤＢＥＦの透過方向を横（図の紙面に対して垂直）にして配置することにより、ｓ偏光のみを前面基板１１６に導入することができる。前面基板１１６の屈折率ｎｓは、液晶層３１２を構成する液晶分子の異常光屈折率ｎｅ（＝ｎ‖＞ｎｏ＝ｎ⊥）と略一致するように設定されている（ｎｓ≒ｎｅ）。

前面基板１１６内を伝播するｓ偏光に対する液晶層３１２の屈折率は、電圧無印加状態（図中左側）では略ｎｅなので、ｓ偏光は、ｎｓ≒ｎｅの関係にある前面基板１１６と液晶層３１２との界面で全反射されることなく液晶層３１２を透過する。液晶層３１２を透過した光は、傾斜反射層１１８ａで反射されて観察者側に出射される。

一方、電圧印加状態（図中右側）では、アンカリング層３１２ａの配向状態は変化せず、中間層３１２ｂの配向状態だけが変化する。従って、電圧印加状態においても、ｓ偏光に対するアンカリング層３１２ａの屈折率は略ｎｅであり、ｓ偏光は、ｎｓ≒ｎｅの関係にある前面基板１１６と液晶層３１２との界面で全反射されることなく液晶層３１２に入射する。ｓ偏光に対する屈折率は、アンカリング層３１２ａから中間層３１２ｂに向かって次第に小さくなりｎｏに近づく。屈折率が変化する中間層３１２ｂ内またはその近傍で、ｓ偏光は連続的に屈折され、前面側に向けられる。この液晶層３１２の作用は、ｓ偏光を液晶層３１２内で全反射しているかのように見える。液晶層３１２内で屈折し前面基板１１６側に向けられた光は、前面基板１１６内を伝播し、観察者側に出射されない。

このように、水平配向型の液晶層３１２を有する液晶表示装置３００は、ｓ偏光を用いて、電圧ＯＦＦ状態において白表示、電圧ＯＮ状態において黒表示を行うことができる。また、横電界モードを採用すると、前面基板１１６と液晶層３１２との間に透明電極（典型的にはＩＴＯ層）を設ける必要が無いので、透明電極との界面における光の透過率のロスがないという利点が得られる。

なお、図７に示した液晶表示装置において、水平配向型の液晶層３１２を構成する液晶分子の誘電率異方性を負として、液晶層３１２に電圧を印加するための電極３１４ａおよび３１４ｂを、前面基板１１６内の光の伝播方向に直交する方向（図７に紙面に垂直な方向）に配列しても、図７に示した配向を得ることができる。

図８に示す液晶表示装置４００は、液晶層４１２に電圧を印加するための電極４１４ａおよび４１４ｂが液晶層４１２の背面側と前面側に配置されている点において、図７に示した液晶表示装置３００と異なる。液晶層４１２は正の誘電率異方性を有する液晶分子から構成されている。

液晶表示装置４００は、図３に示した液晶表示装置３０と同様の動作原理で、ｓ偏光を用いて表示を行う。アンカリング層４１２ａの配向状態は電圧の印加によって変化せずｓ偏光を透過し、電圧印加によって中間層４１２ｂの配向状態だけが変化しｓ偏光を前面基板１１６側に屈折することによって、電圧無印加時に白、電圧印加時に黒を表示する。

本発明の表示装置は、上述の反射型の液晶表示装置に限られず、蛍光を表示に用いる蛍光表示装置とすることもできる。

例えば、図９に示す蛍光表示装置５００は、図６を参照しながら説明した液晶表示装置２００と同じ動作原理で、ｐ偏光が液晶層５１２を透過する状態と、透過しない状態とを切り替える。

蛍光表示装置５００は、液晶層５１２と、液晶層５１２に電圧を印加する複数の電極５１４ａおよび５１４ｂと、液晶層５１２の一方の主面に向けて光を出射する照明装置５３０とを備えている。

液晶層５１２は、前面基板１１６と背面基板１１７との間に設けられており、前面基板１１６は照明装置５３０の導光板を兼ねている。また、背面基板１１７の液晶層５１２側には蛍光体層５１８が設けられている。さらに、背面基板１１７の背面側には光吸収層１２０が設けられており、光吸収層１２０は周囲光を吸収し、この光吸収層１２０を設けることによって良好な暗表示が可能となる。

照明装置５３０が有する光源５３２は、蛍光体層５１８の蛍光体を励起する光を出射する。励起光は、典型的には近紫外から紫外（波長３５０ｎｍ〜４２０ｎｍ）の光である。蛍光体層５１８として、カドミウムテルライドを用いる場合には、励起光の波長は４０５ｎｍである。必要に応じて、波長選択フィルターを光源５３２と前面基板１１６の入射側面との間に設ければよい。蛍光体層５１８は、公知の方法で形成することができる。

光源５３２から出射された励起光（ｐ偏光とｓ偏光とを含む）は、前面基板１１６内を伝播する。ここで、前面基板１１６の屈折率ｎｓは、液晶層５１２を構成する液晶分子の異常光屈折率ｎｅ（＝ｎ‖）と略一致するように設定されている（ｎｓ≒ｎｅ）。液晶層５１２を構成する液晶分子は負の誘電率異方性（Δε＜０）を有し、かつ、正の屈折率異方性（ｎｅ＞ｎｏ）を有している。

図１Ａを参照しながら説明したように、前面基板１１６内を伝播するｐ偏光に対する液晶層５１２の屈折率は、電圧無印加状態（図中左側）では略ｎｅなので、ｐ偏光は、ｎｓ≒ｎｅの関係にある前面基板１１６と液晶層５１２との界面で全反射されることなく液晶層５１２を透過する。液晶層５１２を透過した光は、蛍光体層５１８に入射し、蛍光体を励起する。蛍光体層５１８は蛍光発光し、この蛍光が液晶層５１２を透過して観察者側に出射され、明表示を行う。このときの表示色は蛍光の波長による。蛍光体を適宜選択することによって、所定の色を表示することができる。また、白色光を発光する構成とカラーフィルタとを組み合わせてもよい。但し、カラーフィルタを用いると光の利用効率が低減するので、所定の色光を発光する蛍光体を用いてカラー表示することが好ましい。蛍光体の発光色は、例えば、赤、緑および青であるがこれに限られず、３種類以上の蛍光体を用いて３種類以上の色光を用いてカラー表示を行ってもよい。また、蛍光表示装置５００が表示に利用する蛍光発光は等方的であるため、視野角依存性のない表示が得られる。

一方、電圧印加状態（図中右側）では、アンカリング層５１２ａの配向状態は変化せず、中間層５１２ｂの配向状態だけが変化する。従って、電圧印加状態においても、ｐ偏光に対するアンカリング層５１２ａの屈折率は略ｎｅであり、ｐ偏光は、ｎｓ≒ｎｅの関係にある前面基板１１６と液晶層５１２との界面で全反射されることなく液晶層５１２に入射する。ｐ偏光に対する屈折率は、アンカリング層５１２ａから中間層５１２ｂに向かって次第に小さくなりｎｏに近づく。屈折率が変化する中間層５１２ｂ内またはその近傍で、ｐ偏光は連続的に屈折され、前面側に向けられる。液晶層５１２内で屈折し前面基板１１６側に向けられた光は、前面基板１１６内を伝播し、観察者側に出射されない。

また、周囲から入射する光は、液晶層５１２および蛍光体層５１８を通過し、光吸収層１２０で吸収される。光吸収層１２０を設けることによって表示品位が向上する。

このように、液晶表示装置５００は、ｐ偏光を用いて、電圧ＯＦＦ状態において白表示（明表示）、電圧ＯＮ状態において黒表示（暗表示）を行うことができる。

なお、液晶表示装置５００において、ｓ偏光は、電圧のＯＮ／ＯＦＦに拘わらず、前面基板１１６と液晶層５１２との界面で全反射され、液晶層５１２に入射することがない。垂直配向型の液晶層を用いると、前面基板１１６の４つの側面のいずれに光源を配置してもｓ偏光は液晶層５１２に入射することが無いので、光源を複数の側面に配置することによって輝度を向上させることができる。

次に、図１０を参照して、本発明による実施形態の他の蛍光表示装置６００の構成と動作を説明する。以下の図において、図９に示した蛍光表示装置５００の構成要素と同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略する。図１０の左側は電圧無印加状態、右側は電圧印加状態を示している。

蛍光表示装置６００が有する照明装置６３０は、蛍光体層５１８を励起する光を出射する光源６３２と、導光体としても機能する前面基板１１６と、光源６３２が配置された前面基板１１６の側面に対向する側面に設けられた反射層６３４と、前面基板１１６の側面と反射層６３４との間に設けられた４分の１波長板６３６とを有している。

光源６３２から出射され前面基板１１６内を伝播するｓ偏光は、４分の１波長板６３６を透過した後、反射層６３４で反射され、再び４分の１波長板６３６を透過することによってｐ偏光に変換される。従って、上述の蛍光表示装置５００では利用されなかったｓ偏光を利用できる。反射層６３４および４分の１波長板６３６を設ける代わりに、上述した偏光選択膜（例えばＤＢＥＦ）を光源６３２と前面基板１１６の入射端面との間に設けても良い。もちろん、逆に、上述の液晶表示装置において偏光選択膜を設ける代わりに、反射層および４分の１波長板を設けても良い。

蛍光表示装置６００は、前面基板１１６の観察者側に更に励起光カットフィルタ６４０を有する。励起光カットフィルタ６４０は、周囲光に含まれる励起光を吸収し、蛍光体層５１８が周囲光によって励起され発光するのを防止する。励起光カットフィルタは光源６３２から出射される波長の励起光だけでなく、周囲光（太陽光や屋内照明光）に含まれる蛍光体層５１８を励起できる全ての波長範囲の光を吸収することが好ましく、蛍光体層５１８に含まれる蛍光体の種類に応じて適宜選択されるが、典型的には近紫外〜紫外領域（波長３５０ｎｍ〜４２０ｎｍ）の光を吸収するフィルターが好ましい。励起光カットフィルタ６４０を設けることによって、液晶層５１２によって透過／非透過が制御されない周囲光による蛍光発光が抑制されるので、暗表示の品位やコントラスト比を向上することができる。

なお、照明装置６３０のように、前面基板１１６の対向する２つの側面の内の一方に光源６３２を配置し、他方に反射層６３４を配置した構成を有する照明装置を用いると、光源６３２に近い側では光量が多く、光の伝播方向に進むに連れて光量が減少し、前面基板１１６の中央付近において光量が少なくなる。このように、照明装置の構成（導光板の構成）によって供給される励起光の光量に分布ができ、これに起因して、例えば、表示面の端部が明るく、中央部が暗いといった輝度ムラが生じることがある。これを防止するために、供給される励起光の光量に応じて、表示装置の画素の開口率（蛍光体層に励起光が入射する面積）を変化させることが好ましい。例えば、表示画面の中央付近の画素開口率を大きくし、両端に近づくほど画素開口率を小さくすることによって、輝度むらを低減できる。

次に、図１１を参照して、本発明による実施形態の更に他の蛍光表示装置７００の構成と動作を説明する。図１１の左側は電圧無印加状態、右側は電圧印加状態を示している。

蛍光表示装置７００は、背面基板１１７と蛍光体層７１８との間に反射層７１７を有している。蛍光体層７１８から出射される蛍光の内で背面側に出射された光を反射層７１７で前面側に向けることによって、蛍光の利用効率を向上することができる。

反射層７１７としては、図１１および図１２に示すように複数の凹部７１７ａを有し、凹部７１７ａの内側の傾斜面７１７ｂに反射特性を有するものが好ましい。反射層７１７の全体を反射特性を有する材料で形成しても良いし、凹部７１７ａの傾斜面７１７ｂにのみ反射特性を有する膜を形成してもよい。凹部７１７ａの傾斜面７１７ｂが反射特性を有する構成を採用すると、表示装置７００の周囲から入射した光を傾斜面７１７ｂで多重反射することによって、観察者側に出射され難くできるので、暗表示の品位を向上できるという効果をも得ることができる。

例えば図１２に示すように、頂角が７０度の四角錘の凹部７１７ａの傾斜面７１７ｂに３０％程度の反射率の金属からなる反射膜を有する反射層７１７と、反射層７１７の凹部７１７ａ内に蛍光材料を充填することによって形成された複数の蛍光体部７１８ａから構成された蛍光体層７１８とを設けた構成を考える。蛍光材料は、例えば屈折率が１．７の樹脂に蛍光体粉末を分散することによって得られ、蛍光体層７１８の表面を平坦化する。

表示装置の外部から入射した光は、反射膜が形成された傾斜面７１７ｂで４回以上反射された後に表示装置の外部へ出射されることになる。ここで、反射膜の反射率は約３０％なので、反射層７１７の見かけの反射率はその４乗の０．８％となる。従って、表示装置の外部から入射した光はほぼ表示装置内部で吸収され、外部に出射されることはない。

次に、蛍光体が発した光の出射効率を考える。

凹部７１７ａの中央から発光された蛍光を、表示面法線方向（背面基板１１７の基板法線方向）を基準にした角度（ここでは絶対値）で表した出射方向に基づいて分類すると、出射角度が０度から３６度の光（Ｌ１）は、反射膜で反射されることなく直接蛍光体層７１８から出射される。出射角度が３６度から９０度の光（Ｌ２）は、傾斜面７１７ｂによって１回反射されてから蛍光体層７１８から出射される。出射角度が９０度から１８０度の光（Ｌ３）は、傾斜面７１７ｂによって２回以上反射されるので、蛍光体層７１８から出射される比率は小さい。従って、蛍光体層７１８から出射される光は、主に、出射角度が０度から３６度の光（Ｌ１）と、出射角度が３６度から９０度の光（Ｌ２）の３０％とである。

さらに、反射層として、コーナーキューブアレイを用いると、良好な暗表示を維持しつつ、明表示の輝度を向上することができる。コーナーキューブアレイは、立方体の一隅に対応する形状を持ち、互いに直交する３面を有するコーナーキューブが規則的に配列されたものである。コーナーキューブアレイは、入射された光を複数の反射面で反射することによって入射方向にかかわらず光を元の方向に反射させる再帰性反射層の１つである。従って、コーナーキューブアレイを用いると、周囲光が反射された光が観察者の眼に入ることにより暗表示の明るさが上昇してしまうといういわゆる黒浮きの現象を回避することができる。コーナーキューブアレイを観察するとき、観察者は、自分の瞳から出た光を観察することになるのである。コーナーキューブアレイを用いると周囲光は原理的に暗表示の品位に影響しないので、コーナーキューブの内側の傾斜面の反射率を高く設定することができる。従って、明表示の輝度を向上することもできる。

次に、図１３を参照して、本発明による実施形態の他の蛍光表示装置８００の構成と動作を説明する。蛍光表示装置８００は、上述の蛍光表示装置６００と同様の動作によって蛍光を利用して表示を行うとともに、反射型の液晶表示装置としても動作する。図１３の左側は電圧無印加状態、右側は電圧印加状態を示している。

蛍光表示装置８００は、蛍光体層５１８と背面基板１１７との間に設けられた反射層８２０と、前面基板１１６の観察者側に配置された偏光板８５０とをさらに有する点で、蛍光表示装置６００と異なる。

電圧無印加時（図中左側）には液晶層５１２は垂直配向状態にあるので、偏光板８５０を透過した直線偏光は、液晶層５１２を直線偏光のまま通過し、反射板８２０で反射された後も直線偏光のまま再び液晶層５１２および偏光板８５０を通過し、観察者側に出射するので、明表示となる。

電圧印加時（図中右側）には液晶層５１２の中間層５１２ｂの液晶分子は傾斜した配向をとり、波長の４分の１のリタデーションを有すると、直線偏光に９０°の位相差を与え円偏光（例えば右回り円偏光）に変換する。円偏光は反射層８２０で反射され、左右反対回りの円偏光（例えば左回り円偏光）となり、再び液晶層５１２を通過する過程で直線偏光に変換される。このとき、直線偏光の偏光方向は、偏光板８５０の透過軸（入射直線偏光の偏光軸）と直交する方向なので、偏光板８５０で吸収され、暗表示となる。

このように、蛍光表示装置８００は、電圧無印加時に明表示、電圧印加時に暗表示を行う反射型液晶表示装置としても機能する。また、蛍光表示装置８００は、上述の蛍光表示装置６００と同様にして、蛍光を用いて電圧無印加時に明表示、電圧印加時に暗表示を行う。即ち蛍光表示装置８００は、自発光型の蛍光表示装置でありかつ反射型液晶表示装置であり、同時に蛍光を利用した表示と周囲光を利用した表示を同時に行うことができる。

なお、反射モードでペーパーホワイトの表示を行うために、反射板８２０に拡散反射板（散乱性反射板）を用いることが好ましい。拡散反射板を用いる代わりに、反射板とは別に拡散板を設けても良いし、カラーフィルタに光拡散性を付与しても良い。

上述した蛍光を利用して表示を行う表示装置５００から８００は、図６に示した液晶表示装置２００と同様に、誘電率異方性が負の液晶分子から構成された垂直配向型液晶層を用い、液晶層の前面と背面に設けた一対の電極で電圧を印加する構成を有しているが、これに限られず、図５Ａに示した液晶表示装置の様に、誘電率異方性が正の液晶分子から構成された垂直配向型液晶層を用い、横電界を印加する構成としても良いし、図７や図８に示したように水平配向型液晶層を用いても良い。

以下、実施例を示して本発明を説明する。以下の実施例では、対角２インチのＴＦＴ型表示装置を作製した。ＴＦＴ基板を背面基板とした。

（実施例１）
図１０に示した蛍光表示装置６００を以下の様にして作製した。

前面基板１１６は屈折率が１．６のガラス基板を用いた。光源６３２として、４０５ｎｍの光を発するＬＥＤ光源を用いた。励起光カットフィルタとして、４０５ｎｍの光のみを吸収するフィルムを用いた。光吸収層１２０として黒色樹脂層を用いた。

液晶層５１２の厚さ（セル厚）は５μｍとし、液晶材料としては、Δｎ＝０．１３のネガ型液晶材料ＭＳ−０１１１０５（メルク社製）に、ツイスト角が１８０°となるようにカイラル剤を混合したものを用いた。

蛍光体層５１８は、ガオら、ジャーナル オブ フィジカル ケミストリー、ビー、１０２巻、８３６０ページ（１９９８）に記載されている水溶液法によって作製した。

赤色発光を示す超微粒子を含むガラス前駆体溶液としては、テトラエトキシシランを含む乳濁液にカドミウムテルライド溶液を加えて１時間攪拌した状態の溶液を用いた。

緑色発光を示す超微粒子を含むガラス前駆体溶液としては、上記文献に記載したカドミウムテルライド溶液の製造方法において、還流時間を１０分程度に短縮することによって得た粒径３ｎｍ程度のカドミウムテルライドを含む溶液を用いる以外は、上述した赤色発光を示す超微粒子を含むガラス前駆体溶液の製造方法と同様にして得たガラス前駆体溶液を用いた。

青色発光を示す超微粒子を含むガラス前駆体溶液としては、カドミウムテルライドの代わりに亜鉛化セレナイドを用いて、同様の方法で作製したものを用いた。また、作製の際の還流時間は２０時間程度必要であった。

次いで、上記ガラス前駆体溶液をディスペンサーでガラス基板（背面基板）上に塗布し、不活性雰囲気下２００℃で１００時間熱処理をすることによって、蛍光体の超微粒子が均一に分散されたガラスから形成された蛍光体層５１８を得た。

（実施例２）
図１１に示した蛍光表示装置７００を作製した。

反射層７１７として、図１２に示したように、頂角が７０度の四角錘の凹部７１７ａの傾斜面７１７ｂに３０％程度の反射率の金属からなる反射膜を有する反射層７１７を以下の方法で形成した。

まず、シリコン（１００）基板にウェットエッチングを施すことにより、所定の形状の型を作製した。

次に、背面基板１１７上にネガ型レジスト（三菱レーヨン社製ＭＰ１０７）を用いて樹脂層を形成し、この樹脂層に上記型を用いて転写することによって、頂角が７０度の四角錘の凹部を形成した。

その後、樹脂層上に厚さ３００ｎｍのタンタル膜を形成し、その上に厚さ５０ｎｍのシリコン窒化膜を形成することによって、反射率３０％の反射膜を得た。

（比較例）
従来の透過型液晶表示装置を比較例の表示装置とした。エッジライト方式のバックライト用の光源には白色ＬＥＤ光源を１つ用いた。

実施例１、２および比較例の表示装置は、いずれも対角２インチで、それぞれの照明装置の光源であるＬＥＤに流す電流を２０ｍＡ、電圧を４Ｖとした。

各表示装置の正面輝度を評価した結果を表１に示す。白および赤、緑、青の各色で全面表示（べた表示）とした場合と、面積５０％の枠で内側を白、外側を黒の表示（白枠表示）とした場合の正面輝度を評価した。

表１の結果から、実施例１の表示装置は、全面白表示では、比較例の表示装置に比べて輝度向上の効果は殆どないが、これ以外の表示では輝度向上の効果が認められた。

実施例２の表示装置は、いずれの表示においても、比較例の表示装置に比べ輝度向上効果が認められ、また、実施例１の表示装置と比較しても１．５倍強の輝度向上効果が認められた。

（実施例３）
図１３に示した蛍光表示装置８００を作製した。

液晶層５１２の厚さは５．６μｍとした。反射層８２０として拡散反射板を用いた。その他の構成は実施例１の表示装置と同じ液晶表示装置を得て、その最表面に偏光板８５０を配置した。

得られた蛍光表示装置８００は、蛍光を用いた表示と、周囲光を用いた表示とを同時に行えることを確認した。

上述の蛍光表示装置５００〜８００は前面基板を導光板とした表示装置（以下、「フロントライト方式」という。）であるが、背面基板を導光板とする表示装置（以下、「バックライト方式」という。）を構成することもできる。フロントライト方式の場合、光源は表示パネルの端面に配置するエッジライト型の照明装置しか用いることができないため、光量の観点から大型の表示装置への適用は難しいが、バックライト方式を採用すると、表示パネルの面内に光源を配置することが可能となり、光源の数に対する制限が大幅に緩和されるので光量の観点で有利である。

以下、図１４および図１５を参照しながら、本発明による実施形態のバックライト方式の蛍光表示装置９００の構造と動作を説明する。

図１４は、蛍光表示装置９００の構成と動作を説明するための模式図である。図１５（ａ）および（ｂ）は、蛍光表示装置９００に用いられる反射構造体９３５の構成を説明するための模式図である。ここでは、先の実施例と同様に、誘電率異方性が負の液晶分子から構成された垂直配向型液晶層を用い、液晶層の前面と背面に設けた一対の電極で電圧を印加する構成を例示するが、これに限られず、図５Ａに示した液晶表示装置の様に、誘電率異方性が正の液晶分子から構成された垂直配向型液晶層を用い、横電界を印加する構成としても良いし、図７や図８に示したように水平配向型液晶層を用いても良い。

図１４に示すように、蛍光表示装置９００は、液晶層９１２と、液晶層９１２に電圧を印加する画素電極９１４ａおよび対向電極９１４ｂと、液晶層９１２の背面側（観察者側と反対側）の主面に向けて光を出射する照明装置（バックライト）９３０とを備えている。液晶層９１２は、前面基板９１６と背面基板９１７との間に設けられており、背面基板９１７は照明装置９３０の導光板を兼ねている。前面基板９１６および背面基板９１７の厚さは例えば０．７ｍｍであり、背面基板９１７の屈折率は例えば約１．６である。前面基板９１６の液晶層９１２側には蛍光体層９１８が設けられており、バックライト９３０から出射された光が蛍光体層９１８に入射する／入射しないかを液晶層９１２によって制御する。蛍光体層９１８および液晶層９１２は例えば上述の実施例と同様に、赤色、緑色および青色の蛍光を発光する蛍光体層を形成することができる。また、前面基板９１６の前面には、励起光（例えば４０５ｎｍの紫外線）を吸収するカットフィルタ９４０が配置されている。照明装置９３０の構成は後述する。

前面基板９１６は、液晶層９１２に印加する電圧を制御するための回路要素（ＴＦＴ素子および配線など）９１３を備え、これらが形成されていない領域に蛍光体層９１８が設けられている。

蛍光体層９１８の液晶層９１２側には樹脂構造体９０２が設けられている。樹脂構造体９０２は、屈折率が液晶層９１２の液晶材料の異常光屈折率ｎｅと略等しい（例えば、１．６〜１．７）樹脂で形成されており、さらに微粒子を含んでも良い。樹脂構造体９０２の厚さ５μｍ〜１５μｍ（例えば１０ｕｍ）で、表示面内の大きさ（蛍光体層９１８側面の大きさ）は、一辺の長さが１０μｍ〜４０μｍの矩形（例えば２５μｍ×２５μｍの正方形）であり、蛍光体層９１８に底面を有し、液晶層９１２側に頂面を有する四角錘台の形状を有している。

樹脂構造体９０２の側面は、表示面に対して傾斜角α（４５°±５°以内、好ましくは４５°±３°以内）で傾斜している。樹脂構造体９０２は、例えば感光性樹脂を用いて公知のフォトリソグラフィー技術により作製することができる。樹脂構造体９０２は、１つの画素（例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの各画素）内に１つまたは２つ以上形成される。図１４においては、画素の行方向に対して１つの樹脂構造体９０２が形成されている例を示している。

樹脂構造体９０２の傾斜側面の上には、反射層９０３が設けられている。反射層９０３は、例えばアルミニウム膜で形成される。導電性を有する材料を用いて反射層９０３を形成すれば、回路要素９１３（例えばＴＦＴのドレイン電極）と画素電極９１４ａとの電気的な接続配線を兼ねることができる。反射層９０３は公知の薄膜堆積技術およびフォトリソグラフィ技術を用いて形成することができる。

回路要素９１３の液晶層９１２側には平坦化層９０４が形成されている。平坦化層９０４は、例えば、樹脂構造体９０２の傾斜側面上に反射層９０３を形成した後に、透明樹脂を塗布することによって形成される。この際、透明樹脂が樹脂構造体９０２の頂面上の反射層９０３を覆うと、この後に形成される画素電極９１４ａと反射層９０３との電気的な接続が阻害されるので、樹脂構造体９０２の頂面上の反射層９０３を覆う透明樹脂を除去する。

樹脂構造体９０２の頂面上に、透明導電層からなる画素電極９１４ａを公知の方法で形成する。透明導電層としては、ＩＴＯやＩＺＯを用いることができる。平坦化層９０４の液晶層９１２側上に、液晶層９１２の液晶材料の異常光屈折率ｎｅよりも低い屈折率を有する層、例えば酸化シリコン層９１５を形成する。酸化シリコン層９１５は、液晶層９１２を通過した光が回路要素９１３に入射することを防止する（液晶層９１２を通過した光を界面で反射する）。特に、ノーマリーホワイトモード（ＮＷモード）の表示装置とする場合には、回路要素９１３が形成されている領域を光が透過するとコントラスト比が低下するので、酸化シリコン層９１５を設けて遮光することが好ましい。また、酸化シリコン層９１５と画素電極９１４ａとの間に間隙があっても良い。但し、画素電極９１４ａは表示装置の開口率（光の利用効率）の観点から大きい方が好ましく、樹脂構造体９０２の頂面のほぼ全面に形成することが好ましい。なお、画素電極９１４ａおよび酸化シリコン層９１５、対向電極９１４ｂの液晶層９１２側の表面には、所定の配向膜（不図示）が形成されている。

次に、バックライト９３０の構成を説明する。

バックライト９３０は、導光板として機能する背面基板９１７と、その背面に設けられた導光板９２０とを有する。ここでは、導光板９２０の屈折率は背面基板９１７の屈折率と同じ約１．６としており、導光板９２０と背面基板９１７とは低い屈折率物質を介さず密着されており、これらが一体として導光板として機能する。背面基板９１７と導光板９２０は同じ材料で形成されていてもよく、一体に形成されていても良い。

導光板９２０は、略垂直な側面を有するあな（凹部）９２１を背面に有する平行平板型の導光板である。導光板９２０のあな９２１の内部には反射構造体９３５が設けられている。また、導光板９２０の背面側には、光吸収層９３７が配置されている。導光板９２０と光吸収層９３７とは、屈折率の低い接着層９３８を介して配置されている。接着層９３８に変えて空気層を形成してもよい。導光板９２０内を伝播する光を接着層（空気層）９３８との界面で全反射することによって、光の利用効率を高めることが出来る。同様の目的で、導光板９２０および背面基板９１７の端面に反射性の界面を形成することが好ましい。例えば、導光板９２０および背面基板９１７の端面に反射層を設けても良い。また、光吸収層９３７は周囲光を吸収し、この光吸収層９３７を設けることによって良好な暗表示が可能となる。

光吸収層９３７は、導光板９２０の背面側のあな９２１に対応する位置に孔を有する。光吸収層９３７の背面側には、導光板９２０のあな９２１内の反射構造体９３５に向けて、蛍光体層９１８の励起光（例えば４０５ｎｍの紫外線）を出射する複数の光源（例えばＬＥＤ）９３２が配置されている。光源９３２と反射構造体９３５との間は例えば空気である。光源９３２の配置密度は、要求される光量などに応じて適宜設定されるが、例えば、隣接する光源９３２間の距離は５０ｍｍ〜１００ｍｍ程度が好ましい。これは、導光板９２０および背面基板９１７内を伝播する光の割合を適度な範囲にするためである。

反射構造体９３５は、図１５に示すように、光吸収機能を有する本体部９３５ａと、本体部９３５ａの表面に設けられた反射層９３５ｂとを有している。本体部９３５ａは、円錐状の側面を有し、側面上に設けられた反射層９３５ｂは、光源９３２から出射された励起光を導光板９２０内に導光させるように反射する。液晶層９１２側には反射構造体９３５の光吸収機能を有する本体部９３５ａが向けられており、前面基板９１６から観察した際には黒く見える。反射構造体９３５は、例えば屈折率が約１．５の無色透明な接着剤（不図示）で導光板９２０（屈折率約１．６）に接着される。

反射構造体９３５の反射層９３５ｂの表示面に対する傾斜角βは４５°±５°程度に設定されており、光源９３２から出射された励起光を表示面にほぼ平行に反射する。導光板９２０のあな９２１の側面の表示面に対する傾斜角γは約９０°に設定されており、反射層９３５ｂで反射された励起光の主光線はあな９２１の側面にほぼ直角に入射する。このとき、励起光は、空気（屈折率が小さい媒体）から導光板９２０に入射するので、励起光はあまり広がることなく、導光板９２０に入射する。導光板９２０に入射した励起光は、導光板９２０と接着層（空気層）９３８との界面や、導光板９２０および背面基板９１７の端面、および背面基板９１７の液晶層９１２側の主面と空気との界面、さらには、反射構造体９３５と導光板９２０とを接着する接着層（屈折率が１．５程度）と導光板９２０との間の界面で反射を繰り返しながら、導光板９２０および背面基板９１７内を伝播する。

導光板９２０の厚さは、例えば０．７ｍｍであり、導光板９２０に設けられたあな９２１は、例えば深さが約０．６ｍｍであり、直径が０．７ｍｍの円形である。光吸収層９３７に設けられた孔の径は、光源９３２の発光部よりもやや大きいことが好ましい。光源９３２として、例えば発光部の径が０．３ｍｍのＬＥＤを用いる場合、光吸収層９３７の孔（貫通孔）の直径は約０．５ｍｍである。

反射構造体９３５は、例えば、図１５（ａ）および（ｂ）に示すような構造を有している。本体部９３５ａは、例えば、黒色顔料を含んだアクリル樹脂を成型することによって作製されており、その形状は、直径０．５ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの円盤の上に、高さ０．２ｍｍ、傾斜角が４５度程度（４５°±５°）の円錐体が積み重ねられた形状である。図１５（ｂ）に示すように、本体部９３５ａの円錐体を有する側の表面に、例えば銀やアルミニウムなどの反射率の高い金属膜を蒸着することによって、反射層９３５ｂを有する反射構造体９３５が得られる。励起光を表示面内において等方的に反射するためには、円錐が好ましいが、多角錐体としてもよい。この場合、あな９２１の側面は、反射面に対向するように配置することが好ましい。

蛍光表示装置９００の基本的な動作原理は、先の実施例の蛍光表示装置と同様であるので、簡単に説明する。

導光板９２０および背面基板９１７を伝播している励起光は、電圧が印加されていない液晶層９１２に入射し、液晶層９１２を通過する（例えば図５Ａ）。液晶層９１２を通過した励起光（図中の光線１）は、樹脂構造体９０２に入射し、その一部は反射層９０３によって反射され、蛍光体層９１８に入射し、可視光に変換され観察者側に出射される（図中の光線１’）。樹脂構造体９０２に入射した励起光の一部は、樹脂構造体９０２と蛍光体層９１８との界面で反射された後、反射層９０３で反射され、蛍光体層９１８に入射する。一方、電圧が印加されている液晶層９１２に入射した励起光は、液晶層９１２内で反射され（例えば図５Ａ）、再び、背面基板９１７および導光板９２０内を伝播する（図中の光線３）。また、酸化シリコン層９１５に入射した光は、酸化シリコン層９１５と液晶層９１２との界面で反射され、再び、背面基板９１７および導光板９２０内を伝播する（図中の光線２）。このように、誘電率異方性が負のネマチック液晶材料からなる垂直配向型の液晶層９１２を用いるとＮＷモードの表示を行うことが出来る。

液晶層と偏光との組み合わせは上述のいずれでも適用できるが、特に、垂直配向型液晶層を用いたＮＷモードの表示装置を構成することが好ましい。垂直配向型液晶層を用いると、液晶分子の見掛け上の屈折率が液晶層に入射する励起光の方向（表示面内における方向）に無関係になる結果、励起光の透過状態／非透過状態の切り替えが、励起光の方向の影響を受け難いからである。

また、ここでは、光源９３２として、紫外線を出射するＬＥＤを用い、この紫外線を用いて赤色、緑色および青色の蛍光体を発光させたが、これに限らない。例えば、青色ＬＥＤを用いて、緑色、赤色を発光する蛍光体を励起し、青色については、青色光を適度に散乱する材料を用いてもよい。

本発明によると、従来のトランジスタを利用できる程度の低電圧で、液晶層に入射する光に対する透過状態／非透過状態を切り替えて表示を行うことができる表示装置が提供される。本発明の表示装置は、直視型表示装置として用いることもできる。

Claims (18)

1. 互いに対向する第１主面と第２主面とを有する液晶層と、
   前記液晶層に電圧を印加する複数の電極と、
   前記液晶層の前記第１主面側に設けられた蛍光体層と、
   前記液晶層の前記第２主面に向けて、前記蛍光体層を励起する光を出射する照明装置とを備え、
   前記液晶層は、所定の電圧が印加されたときに、第２主面近傍のアンカリング層の液晶分子と異なる方向に配向した液晶分子を含む中間層を形成し、第２主面近傍の前記アンカリング層を透過した直線偏光を、前記中間層内またはその近傍において前記第２主面に向けて屈折し、
   前記液晶層に電圧を印加していない状態で前記蛍光体層が発光する光を用いて表示を行い、前記液晶層に電圧を印加した状態で黒表示を行う、表示装置。
2. 前記アンカリング層を透過した前記直線偏光に対する前記中間層の屈折率は、前記アンカリング層の屈折率よりも小さい、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記照明装置から前記第２主面に向けて出射される前記直線偏光は、前記アンカリング層の液晶分子の長軸と平行な成分を有する、請求項１または２に記載の表示装置。
4. 前記液晶層は誘電率異方性が正の液晶分子を含む垂直配向型液晶層であり、
   前記複数の電極は、前記液晶層に横電界を印加する複数の電極であって、
   前記直線偏光はｐ偏光である、請求項１に記載の表示装置。
5. 前記液晶層は誘電率異方性が負の液晶分子を含む垂直配向型液晶層であり、
   前記複数の電極は、前記液晶層を介して互いに対向するように配置された複数の電極であって、
   前記直線偏光はｐ偏光である、請求項１から３のいずれかに記載の表示装置。
6. 前記液晶層は誘電率異方性が正の液晶分子を含む水平配向型液晶層であり、
   前記複数の電極は、前記液晶層に横電界を印加する複数の電極であって、
   前記直線偏光はｓ偏光である、請求項１から３のいずれかに記載の表示装置。
7. 前記液晶層は誘電率異方性が正の液晶分子を含む水平配向型液晶層であり、
   前記複数の電極は、前記液晶層を介して互いに対向するように配置された複数の電極であって、
   前記直線偏光はｓ偏光である、請求項１から３のいずれかに記載の表示装置。
8. 前記蛍光体層の前記液晶層とは反対側に反射層を有する、請求項１から７のいずれかに記載の表示装置。
9. 前記反射層は、再帰反射層である、請求項８に記載の表示装置。
10. 前記蛍光体層の前記液晶層とは反対側に光吸収層をさらに有する、請求項１から７のいずれかに記載の表示装置。
11. 前記照明装置は、光源と導光板とを備える、請求項１から１０のいずれかに記載の表示装置。
12. 前記照明装置は、前記光源と前記導光板との間に偏光選択膜をさらに備える、請求項１１に記載の表示装置。
13. 前記照明装置は、前記導光板を介して前記光源に対向するように配置された反射層をさらに有する、請求項１１または１２に記載の表示装置。
14. 前記照明装置は、前記反射層と前記導光板との間に４分の１波長板をさらに備える、請求項１３に記載の表示装置。
15. 前記蛍光体層は前記液晶層の前面側に配置されており、前記照明装置は前記液晶層の背面側に配置されている、請求項１から７のいずれかに記載の表示装置。
16. 前記照明装置は、複数のあなを背面に有する平行平板型の導光板と、
    前記複数のあなのそれぞれに設けられた反射構造体と、
    それぞれが前記反射構造体に向かって光を出射する複数の光源と
    を備える、請求項１５に記載の表示装置。
17. 前記導光板の背面側にさらに光吸収層を有する、請求項１６に記載の表示装置。
18. 前記導光板と前記光吸収層との間に、前記導光板よりも屈折率の低い層が設けられている、請求項１７に記載の表示装置。

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