JP4690194B2 - 内部リア側偏光器を備えたカラー液晶ディスプレー - Google Patents

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この出願は、2002年10月16日に提出された米国仮特許出願第60/419,321号による優先権を主張するものであり、該出願の開示の全体を本明細書の一部として援用する。
本発明は、液晶ディスプレーおよび表示器の分野に関し、特に、偏光器を使用する液晶ディスプレーに関する。

液晶ディスプレー（ＬＣＤ）は、現代の他の装置に比較してそのエネルギー消費が低いこと、およびサイズが小さいことのために、携帯装置の重要な付属機器になってきている。液晶表示技術の発展は、ＬＣＤが、その小さいサイズおよび重量、低いエネルギー消費並びに比較的低い価格を維持しながら、高品質のカラー図形グラフィック画像を作成することを可能とする。これらの特徴の組み合わせは、携帯用コンピュータ、計算システムおよび装置のディスプレーおよび表示装置として、測定装置およびセンサのディスプレーおよび表示装置として、移動体電話、オンボードコンピュータ、ノートブック、時計などのような家庭用携帯装置のディスプレーおよび表示装置として、映画劇場、ショー、公共の場所およびイベントにおける大規模映写のためのプロジェクターおよび画面として、並びに光の供給および放射源におけるシャッタとして、ＬＣＤの用途を顕著に拡大した。

液晶ディスプレーの設計、その動作原理およびその主要部品は文献に記載されている。例えば、Wu et al., "Reflective Liquid Crystal Displays" 2001, John Willey and Sons Ltd.、およびLueder, "Liquid Crystal Displays: Addressing Schemes and Electro-Optical Effects", 2001, John Willey and Sons Ltd.を参照されたい。

ミラー型または反射型のディスプレーにおいては、光がディスプレーに導入され、ミラーによって反射されて、ディスプレーの一方の側を逆に通って出て行く。このタイプのディスプレーの主な利点は、画像を形成するために必要な人工照明が最小限であることである。一般に、ミラー型のディスプレーは周囲の光源からの光を利用し、照明システムを必要としない。これは、動作の際のエネルギー消費を顕著に減少させる。乏しい照明条件または完全に暗い条件でディスプレーを動作させるために、ディスプレーシステムは、該ディスプレー表面のフロント照明のために、内在的な照明源および光学部品を含んでいることが多い。

また、反射型および透過型のディスプレーの組み合わせも普通である。この組合されたシステムは、しばしば、透過反射型ディスプレーと呼ばれる。透過型のディスプレーが反射型のディスプレーと異なる主な点は、透過型のディスプレーのミラーは半透明であり、当該ディスプレーにおける機能層の設計により透過様式が可能であるときには、当該ディスプレーを透過様式で使用することを可能にすることである。
液晶ディスプレーは、背面側および正面側の用語で便利に説明することができる。正面側は見る人に面した側であるのに対して、背面側は見る人とは反対側である。液晶の正面におけるディスプレーの一組の層は「フロントパネル」と称されるのに対して、液晶の背面にあるディスプレーの一組の層は「リアパネル」と称される。これら異なるパネルに配置された機能層は、「リア側」層または「フロント側」層、例えばリア側基板およびフロント側基板、リア側電極およびフロント側電極等として特定される。当該ディスプレーにおいて、単一の層の異なる側も特定することができる。

図１は、種々の機能を行う一組の平坦な機能層を具備した反射型ディスプレーを概略的に示している。特に、このディスプレーは、フロント側偏光器101、遅延プレート102、フロント側透明基板103、カラーフィルタのマトリックス104、フロント側透明電極105、液晶106、拡散性反射体もしくは鏡面反射体もしくはホログラフ反射体107、およびリア側透明基板108を備えている。符号109は液晶セルを表している。ディスプレー上に画像を形成するために、周囲の光源もしくは照明からの光は、当該ディスプレーの層構造内で調節される。ミラーおよび光源に加えて、特に、液晶層および少なくとも一つの偏光器層の機能層が画像を形成する。

図１に示したような反射型ディスプレーにおいて、液晶は常にフロント側偏光器の後に配置される一方、ミラーは液晶の後に配置される。反射型液晶ディスプレーの動作原理は、フロント側偏光器によって偏光され、液晶の非線型光学特性により変化する光の偏光状態を、電極を通して印加される電圧を介して制御することに基づいている。液晶から出るときの光の特定タイプの偏光変化は、当該ディスプレーにおける液晶の動作様式：即ち、ツイスト-ネマチック型モード、超ツイスト-ネマチック型モード、または混合型モードに依存する。ツイスト-ネマチック型ディスプレーの場合、偏光面の回転は、主に液晶におけるツイスト効果から生じる。超ツイスト-ネマチック型ディスプレーおよび混合型モードの動作様式の場合、初期偏光状態の変化は、回転ツイスト効果と、液晶層の複屈折による偏光層遅延との或る組合せから生じる。

実際には、ツイスト様式および超ツイスト−ネマチック様式は比較的厚い液晶層を必要とし、これは画像の明るさを低下させる可能性があるので、現代の殆どの液晶ディスプレーは混合型モードの動作に依拠する。透過型ディスプレーにおいて、この明るさの低下は、照明源の明るさを増大させることによって補償される。しかし、反射型ディスプレーにおいては、このようなアプローチは働かない。

液晶を横切る電圧を変化させることによって、液晶を出て行く光の偏光状態を徐々に変化させることができる。偏光器との２回目の相互作用の後、光の強度は、印加された電圧の値に従って変化する。反射型ディスプレーにおいて、光と液晶との相互作用の特定の詳細は、選択された液晶の動作様式およびそのパラメータによって決定される。それらはまた、コントラスト比および明るさ、視野角、ディスプレーの遷移特性、無彩色デリバリー等のような、デシスプレーの多くの特性を決定する。

ディスプレーにおける主な光学層の機能的順序が決定されると、各偏光器の軸と該偏光器に最も近い液晶分子の向きとの相互配向、液晶中における常光線および異常光線の間の光路差、および一方の結晶から他方の結晶に遷移するときの液晶中における分子配向の選択されたツイスト角によって、液晶の動作様式が決定される。遅延器の存在およびその特性もまた役割を果す。殆ど全ての場合に、動作様式はこれらパラメータの一定の組み合わせを使用する。

液晶のツイスト角度の通常の値は、45°、50°、240°、270°である。例えば、Wu et al., "Reflective Liquid Crystal Displays" 2001, John Willey and Sons Ltd.を参照されたい。何れかの偏光器の角度は、透過軸が、最も近接した液晶層における分子の配向に対して平行または直角であるように選択されることが多い。二つの偏光層が使用されるとき、それらの透過軸は相互に直交するように配向されることが多い。

反射型ディスプレーにおいて、光はディスプレーの全ての層を２回通過するとの事実の故に、このようなディスプレーは一つの偏光器だけを有していればよい。この偏光器は、液晶層のフロント側に設置され、従って、光線は最初に偏光器を通過するときに偏向される。光線は、ミラーで反射される前後に液晶を２回通過した後、フロント側の偏光器と再度相互作用する。

一つの偏光器を備えた反射型ディスプレーは、コントラスト比が乏しいことが多い。液晶が混合様式で動作するとき、光は液晶を通過した後に楕円偏向され、それによって偏光器との２回目の相互作用の効果を低下させる。

多くの刊行物がこの問題に取り組んでいる。例えば、Kwok et al.,"Generalized Parameter Space Diagrams For All Liquid Crystal Displays", p.165-169, ASID 1999；Kwok, "Parameter Space Representation Of Liquid Crystal Display Operating Modes", J. Appl. Phys., Vol. 80, No. 7, p.3687-93, October 1996；Cheng et al.,"Dynamic Parameter Space Method To Represent The Operation Modes Of Liquid Crystal Displays", Journal of Applied Physics, 86, p. 5935,1999.を参照されたい。コントラスト比を増大させ、且つ他のディスプレー特性を向上させるために、先行技術は、液晶中の光路差、液晶の周辺層における分子の配向に対する偏光器の回転角、並びに液晶中の分子配向の回転角を含めて、液晶の動作様式を決定する全てのパラメータ値を変更することを示唆している。EP0576303および米国特許第6,108,064号は、同じ目的のために、機能層として遅延器の使用を示唆している。

この方向での計算および実験の結果として、カラーディスプレー並びに無彩色ディスプレーについて、比較的大きな視野角を持ったコントラスト比の許容可能な値が導かれている。例えば、EP985953、米国特許第5,926,254号および同第6,341,001号を参照されたい。しかし、液晶の動作様式の通常でないパラメータを使用することは、しばしばその設計を複雑にし、ディスプレーの大量生産において、上記結果の再現性が低なることが多い。

この困難性は、最もしばしば変化するパラメータの一つ、即ち、偏光器の光学軸と該偏光器に最も近接した液晶の分子配向との間の角度に関する特別の例において説明することができる。二色性有機分子に基づく偏光器の透過軸の向きは、偏光器が配置された時点で固定される。殆どの場合、この製造工程には、偏光材料のリボンを特殊な装置を通して延伸することが含まれる。その結果、偏光器の軸の向きは、リボンの縁に対して平行になる。もし上記の角度が90°または0°でなければ、リボンがディスプレーに設置される前に適切なサイズに切断されるときに、廃棄される材料の量が増大する。

米国特許第6,417,899号は、整列層とカラー光フィルタ層との間に配置された内部偏光器を含んだ、既知のカラー液晶ディスプレーを記載している。このようなディスプレーの欠点は、当該偏光器の透過軸の方向を定義するために整列層を使用することであり、これはディスプレーの製造を複雑にし、偏光器の軸が整列層の軸に平行でないときに動作様式の使用を排除することである。更に、光フィルタおよび液晶層の整列が悪い場合には画質を劣化させる可能性がある。

ウチダ（Uchida）は、内部偏光器のない反射型カラー液晶ディスプレーを開示しており、ここでは、ディスプレーを或る角度で見たときに適正な色デリバリーを得るために、リア側偏光器を排除する代償の下で、カラーフィルタとミラーとの間の距離が縮小されている。Uchida, Reflective LCDs, SID Seminar Lecture Notes, Hynes Convention Center Boston, 20-24 May 2002, Vol.II, p F2/3を参照されたい。このような設計の一つの欠点は、コントラスト比が小さいことであり、これはリア側偏光器のない反射型ディスプレーにおいては不可避である。加えて、このようなディスプレーにおけるカラーフィルタのマトリックスは液晶の正面に配置され、これは該マトリックスとミラーとの間の距離の増大から生じる視差に起因して、視野角を減少させる。

本発明は、大きな視野角のフルカラー画像を形成できる、内部偏光器を有する高コントラストのカラー液晶ディスプレーを提供する。該カラー液晶ディスプレーは、少なくとも一つの偏光器を含むフロントパネルと、少なくとも一つの偏光器を含むリアパネルと、前記フロントパネルとリアパネルとの間に配置された液晶と、前記リアパネル上の反射層と、前記リアパネル上のカラーフィルタのマトリックスとを具備する。前記リアパネル上の偏光器は、内部偏光器である。前記カラーフィルタのマトリックスと前記反射層との間に堆積される全ての層の合体された厚さは、10ミクロンを越えない。

本発明は、添付の図面と共に以下の説明を読むことにより、更に明瞭に理解されるであろう。

本発明は、カラーフィルタのマトリックスと、色デリバリーにおける歪みを伴わずに視野角を顕著に増大する少なくとも一つのリア側偏光器とを具備してなる反射型カラー液晶ディスプレーを提供する。一般に、液晶ディスプレーは、少なくとも一つの偏光器を含むフロントパネルと、少なくとも一つの偏光器を含むリアパネルと、前記フロントパネルおよび前記リアパネルの間に配置された液晶と、前記リアパネル上の反射層と、カラーフィルタのマトリックスとを具備している。リアパネル上の偏光器は内部偏光器であり、前記カラーフィルタのマトリックスと前記反射層との間に配置される。ここに開示する発明は、その設計に偏光器を有する種々のタイプの液晶ディスプレー、例えば、垂直整列モード、面内スイッチングモード、パッシブマトリックスもしくはアクティブマトリックスのアドレッシングを利用する液晶ディスプレーにおいて使用することができる。図２は、フロント側偏光器1、機能層10、フロント側透明基板3、フロント側透明電極5、液晶6、リア側透明電極11、カラーフィルタのマトリックス4、リア側偏光器12、ミラー13およびリア側透明基板8を含んでなる反射型カラー液晶ディスプレーを示している。視野角は、角度14および周囲光源からの光線15によって表されている。フロントパネル16は、液晶6の前方にある層の組合せに相当する。リアパネル17は、液晶16の後方にある層の組合せに相当する。符号18は、カラーフィルタ4のマトリックスにおける画素サイズを表している。図３は、マトリックス4の青、赤および緑のフィルタ20、21および22の表示を示すカラーフィルタのマトリックスを示している。ここおよび以下での機能層の下で、液晶ディスプレーの機能的特性を実現または改善するために、偏光層、整列層、電極層、基板層、反射層、保護層、遅延層、絶縁層、平坦化層、拡散層、光散乱層、カラーフィルタ層、および他の何れかの層からなる群から選択される一つまたは幾つかの層を用いることができる。

液晶の動作様式における従来のパラメータを用いてコントラストを増大するために、液晶とミラーの間に第二の偏光器を使用するのが好ましい。これにより、一つのフロント側偏光器だけを備えたディスプレーに比較して、コントラストは顕著に増大する。同時に、二つの偏光器を備えた反射形ディスプレーは、少なくとも一つの遅延層が典型的に排除されるので製造が一般に簡単であり、また二つの偏光器を備えたディスプレーは、液晶層のツイスト構造により多く依存し且つ液晶層の複屈折および位相遅延にはより少なく依存することによって、より安定な動作モードで動作するように製造することができる。これは、温度変化、液晶セルギャップの変化および機械的歪みに対するディスプレー動作の敏感さを低下させる。これらの因子の全てが、製造収率の改善および製造コストの低減をもたらす。

カラー画像を形成するために使用されるカラーフィルタ（マイクロフィルタ）のマトリックス（層）は、カラー液晶ディプレーのもう一つの重要な要素である。人間の視覚システムの構造および機能は、三つの適切な主要な色の混合を介して、如何なる実現可能な色の発生をも可能にする。電子モニターおよび表示器のような追加の色再生装置における一次色として、典型的には赤、緑、および青が使用される。この場合、これら一次色の相対的強度の調節によって混合色が得られる。

カラーフィルタのマトリックスは、三つの主要な色を用いて画像の最小要素（画素）を強調するように働く。この目的は、一列に配置された三つの色フィルタ[第一は赤色の領域（≒630 nm）に、第二は青色の領域（≒550 nm）に、第三は緑色の領域（≒460 nm）に最大透過を有する]のうちの一つを通過する光の透過によって達成される。各色フィルタのスペクトル通過帯は典型的には全く広く（≒50〜100 nm）、ピーク透過波長の回りにセンタリングされる。しかし、カラーフィルタのパラメータは、通常は特定のディスプレーおよび用途のために注意深く最適化されて、色飽和および光出力の間のバランスが達成される。各光フィルタを通過する光の強度を制御することによって、三つの微小フィルタを含んでなる画素の色を任意に変更することができる。ここでの前提は、照明源または周囲の天然光源からの光が広帯域かつ相対的に無色であり、それによって一次カラーフィルタの各々の通過帯域において充分な分光学的輝度を与えることである。

当該ディスプレーの画素は、通常は正規マトリックスにグループ化されるので、カラー光フィルタのトリプレットもまた正規マトリックスで配列され、これは図３に示すようなカラー光フィルタのマトリックス（層）を形成する。この図に示した特定の構成は、オフセットした画素を有するデルタパターンである。垂直ストライプ、水平ストライプ、対角線ストライプ、および４モザイクのような、カラーフィルタモザイクの他の多くのパターンが存在する。

ディスプレーに使用される主要な色に対応して、別々のカラー光フィルタを組にグループ分けする特別な方法、並びに上記の組を相互に対して層の内側に配置する方法は、液晶中にピクセルを配列する方法、並びに製造の任意な選択に依存する。液晶の画素が光強度を制御するので、カラー光フィルタの層の設計を決定する第一の項目は、各色が液晶中の対応する画素と正確に整列するための要件である。カラー光フィルタの層と、液晶の光強度制御要素の層との正確な整列の要件に起因して、これら層は可能な限り相互に近接して配置されるべきである。多くの場合は、透明電極および整列層だけが、これら層を分離する。

液晶ディスプレーにおける機能層の最終的な厚さの故に、画像が識別でき且つ過度に歪まない視野角の制限が共通の問題である。一般的な場合、制限されたまたは使用可能な最大視野角の概念は、第一に、それが観察される歪みの特定の種類に依存し、第二に、それを越えると画像が「劣悪」とみなされる歪みの量等を表す任意の定量的特徴の値に依存するので、幾分不明瞭である。このため、最も共通の概念は視野角である。ディスプレーの視野角は、観察者の眼からディスプレーに向う方向と、ディスプレーに対して垂直な平面との間の角度であり、画像はこの角度でディスプレー上に見ることができる。

或る角度で液晶ディスプレー上の画像を見るときに現れる、種々の類型の歪みが存在する。それは、コントラスト比および明るさの減少、反転コントラストの「負の」画像の出現、および画像のダブリ等であり得る。角度歪みを打消す最も典型的な方法は、ディスプレーの厚さを減少させること、および／または遅延膜のような補償光学層を加えることである。

色歪みは、反射型カラーディスプレーにおいて、或る角度で画像が観察されるときに生じる。この歪みの原因は、図４に示した単純なモデルを使用して説明することができる。カラーフィルタのマトリックス4は、液晶ディスプレーの層18および19の間に配置され、また反射層13は液晶ディスプレーのリア側に配置される。複数の層18が、カラーフィルタマトリックス4のフロント側にあり、また複数の層19がカラーフィルタマトリックス4のリア側にある。カラーフィルタのマトリックス4と反射層13との間の層の合体された厚さは、ｄとして指定されている。光線1は、点20において、カラーフィルタのマトリックス4とミラー13との間の層に導入され、また、カラーフィルタのマトリックス4の平面に対する垂線30と光線1との間の角度はαである。単純化のために、カラーフィルタのマトリックス4のフロント側に或る全ての層18は等しい屈折率ｎ0を有し、カラーフィルタのマトリックス4とミラー13の間の全ての層は等しい屈折率ｎ1を有するものと仮定する。カラーフィルタのマトリックス4は、屈折率ｎ0を有する。屈折率ｎ0およびｎ1は異なるので、光線は、カラーフィルタのマトリックス4と反射板13との間に配置された層に入るときに、角度βで屈折する。次いで、光線はミラー13へと進み、該ミラー13から反射されて、カラーフィルタのマトリックス4へと戻り、点21において、カラーフィルタのマトリックス4とミラー13との間の層19を出る。点20と点21との間の距離はｌとして指定されている。Snellの法則の適用により、距離ｌについての単純な式が与えられる。

この場合、光線がカラーフィルタのマトリックス下の層に入り、ミラーから反射した後に同じ光フィルタを通って出るときに、該光線は、正確に当該フィルタの色を帯びるであろう。光線が隣のまたは他の光フィルタを通って出る反対の場合には、得られる光線の色は、二つの異なるカラーフィルタの連続的な通過の結果となり、従って、ディスプレーの色の歪みは一般的には不可避である。従って、導入点と退出点との間の大きな距離ｌは、色歪みを導く。
式（1）に従えば：
lの値はαと共に増大する。即ち、より大きな入射角の値は、光線の導入点と退出点の間のより大きな距離を与え、より大きなlの値はより大きなαの値に対応する。
lの値はｄと共に減少する。望ましい大きな視野角は、カラーマトリックスと反射層との間の層の厚さを減少させることにより達成できる。

従って、図４に示した単純なモデルは、カラーマトリックスと反射層との間の層厚が減少するときの、色歪みのない視野角の増大を示している。

一般化されたモデルが図５に示されている。屈折率ｎ0を有する層17が、カラーフィルタのマトリックス4のフロント側に配置される。カラーフィルタのマトリックス4とミラー13の間には、層19が配置される。層17のフロント側には層18が配置される。光線1は、カラーフィルタのマトリックス4の表面に、垂線に対してα0の角度で入射する。点40でマトリックス4に入った後に、光線1は、それぞれが屈折率ｎiおよび厚さｄiを有する一連のＮ層を通過する。ここで、ｉは、マトリックス4からミラー13への順序での層の数である。全ての層は平坦であり、相互に対して平行である。ミラー13で反射した後、光線1は一連の層19を再度通過し、点41においてカラーフィルタのマトリックス4を出て行く。点40と点41との間の距離は、図４に示した例と同様に、lとして指定されている。距離lについての式は下記の通りである。

同時に、より複雑なモデルであっても、全ての実際的な場合を記述することはできない。これは、計算が、画素の幾何学的構成、即ち、それらの形状および該マトリックスにおける相互の配置に大きく依存するとの事実によるものである。それ以外に、マトリックス平面における画素のパッキングが連続的ではないこと、即ち、カラーフィルタマトリックスが、個々のカラーフィルタ素子の間に、透明であっても又は黒色のマトリックス材料でマスクされてもよいギャップを含む可能性がある。これは、観察の極性角度に対する、既に述べた歪みのないカラー画像のための最大視野角の依存性を悪化させる。

カラーフィルタの正面に配置された層はまた、色デリバリーの歪みに影響する。既に我々が述べたように、視野角は、ディスプレーのフロント側表面に対する垂線から測定される。明らかに、下地のカラーフィルタマトリックスに対する光の入射角度は、上にある一連の層、それらの厚さおよび屈折率と共に、外部入射角度の値を使用して決定されてよい。

式（2）において、ミラーからの光線の反射の詳細は考慮されない。全ての計算は、ディスプレーにおけるミラーが、散乱を排除する粗さのない理想的な滑らかな表面を有することを仮定して行われる。反対に、理想的な散乱性をもつ（Lambert）表面の場合は、該散乱表面による偏光解消に起因して、ディスプレー上には如何なる使用可能な画像も形成することは不可能であるから、鏡面反射モデルを使用することには良好な技術的正当性が存在する。更に、理想的な鏡面反射体の使用は、入射平面および単一の反射角に限定される厳しく制限された視野体積（viewing volume）を生じ、また表示された画像の視野角を望ましくないフロント側表面反射のそれに一致するように制限するであろう。

拡散媒体（これは、元の方向から比較的小さい任意の角度に光を散乱する）は、拡大された表示視野体積を形成し、また望ましくないフロント側表面反射のマスキング効果から有効視野角を分離することができる。例えば、空間または平面内に任意に分布された微視的不均一さの透過層または反射層を設置してもよい。実際には、このような散乱表面は、ディスプレーに対して、ディスプレーからの光が幾らか限定的なアンギュラーコーン内での鏡面角度の回りに分布される、利得された散乱の特徴を与える。

光散乱プロセスのランダムな特徴の故に、定義された散乱角度での反射の可能性を使用するのが、その定量的特徴付けのためには便利である。散乱角度は、不均一部位における散乱後の、元の方向からの光の傾斜角度を意味する。このアプローチにおける光強度の散乱角度に対する依存性は、定義された角度への散乱の可能性の意味を有する。可能性の概念はまた、当該システムによる透過を記述する上でも重宝である。ディスプレーにおける残りの層は光を散乱しないか、または無視可能な角度で散乱するから、明らかに、それは拡散層上での散乱によって決定されるであろう。

現在実際に使用されている液晶ディスプレーにおいて、過大な光偏光解除を伴うことなく、拡大された有効な視野体積を形成する問題に対する解決策は、粗い表面をもったミラーを使用すること、フロント側偏光器の後で且つフロント側基板の前に配置された拡散膜を使用すること、逆拡散される光の散乱を伴う液晶材料を使用すること（この場合、ミラーは吸収体によって置きかえられる）、および直接拡散される光散乱を伴う液晶材料を使用することを含んでいる。

理想的に滑らかな表面の場合、散乱の可能性の角度依存性は、鏡面反射の角度に最大値を有するデルタ関数の形態を有し、その絶対値は入射角に等しく、その方向はこの角度が測定される方向に対して反対方向である。純粋なランバート表面の場合、この依存性は、コサイン関数によって定義される形態を有している。上記で述べた解決策は、それらが有効な視野コーンの向上、並びに画像形成の際のディスプレーにおける何等かの干渉効果の抑制を提供するので、実際的な目的に関連している。

ミラーの表面が、ｋに等しい理想的な滑らかさからの二乗平均平方根の偏位をもった任意のプロファイルを有するとき、散乱可能性の角度依存性は、鏡面反射角度に最大値を有するガウス曲線の形態を有する。このガウス曲線の幅、散乱の角度ωは、パラメータｋの関数である。従って、ミラー表面の粗さの値を選択することにより、拡大された視野コーン内において、ディスプレーからの最大反射を達成できる。

実際的な立場からは、反射係数の角度依存性が、定義された最大散乱角度ωをもつ「矩形パルス」形状を有することが有利である。これは、定義された範囲の視野角において、ディスプレーからの最大反射係数を得ることを可能にする。

ミラーからの反射係数の角度依存性の形態は、ミラーの粗さ、即ち、その微小起伏によって決定される。

カラー光フィルタ上での光線の導入点と退出点との間の距離を決定する問題を再度参照すると、拡散ミラーの場合は、入射光線および反射光線を別々に考慮すべきである。反射光線は、ミラー上での入射角および散乱角によって決定される、或る任意の方向で散乱する可能性がある。この場合、ミラーの微小凹凸の形状が、一定の角度への散乱の可能性を決定する。ランダムに粗い表面の場合、このパラメータの値はガウス曲線の反値幅によって決定され、また矩形パルス形状の角度依存性の場合は、散乱の最大角度などによって決定されるであろう。何れの場合にも、この角度依存性の特徴は、ミラー表面の微小凹凸に由来する可能性がある。

上記のことを考慮すると、ディスプレーの適正な色デリバリーを提供するためには、与えられた何れかの光フィルタのアパーチャに導入された光が、ミラーから反射された後に、高い可能性で、同じ光フィルタの前記アパーチャを通して出て行くことを保証することが重要である。

ディスプレーの視角とパラメータとの間の関係の特定の形態は、光学系に適用される既知の方法によって決定することができる。例えば、Wu et al., "Reflective Liquid Crystal Displays" 2001, John Willey and Sons Ltdを参照されたい。特定の依存方法、正確な式、近似式、作表された曲線（tabulated curve）、およびコンピュータコードは、選択された解決法に依存して変化する可能性がある。

或る角度で観察したときにディスプレーにおいて適正な色デリバリーを提供するためには、何れかの所定のカラーフィルタのアパーチャに入射する何れの光線も、ミラーで反射された後に、同じカラーフィルタのアパーチャーを通る高い可能性が存在することが必要である。ディスプレーの適切な色レンダリングおよび高い明るさを提供するためには、この可能性が高いのが好ましく、例えば90％である。一つの実施形態において、光が所定の視野角でディスプレーの表面に入射して、特定のカラーフィルタを通って広がり、反射層で反射された後に同じカラーフィルタを通過する確率は90％以上である。

この高い可能性は、ディスプレーにおける以下のパラメータの一つを変化させることによって達成することができる：ディスプレーにおける層の配置順序、即ち、フロントパネルからリアパネルへの方向に沿った、ディスプレーにおけるそれらの交互変化；ディスプレーにおける各層の厚さ；ディスプレーにおける各層の屈折率；カラーフィルタのマトリックスにおけるカラーフィルタの大きさ、形状および配置；ミラー表面の微小起伏、またはこの微小起伏によって定義されるミラーの反射率の角度依存性。

しかし、最大視野角を達成するために、ディスプレー設計の如何なるパラメータも任意に変化させることを許容しない制限が存在する。光フィルタの特徴的サイズａは、当該ディスプレーの解像度によって定義される。標準的なカラー液晶ディスプレーは、一般に、1インチ当たり72画素以上の解像度を提供することが要求され、これは、カラーフィルタの複雑さが約0.1 mmの最大カラーフィルタサイズの制限を導くことを考慮している。幾つかの応用は、上記の値を増大させるかもしれない高解像度を必要としないという事実にもかかわらず、カラー平面パネルディスプレーおよび表示器の開発の一般的傾向は、当該値を低くし、印刷装置の解像度レベル（1インチ当たり300〜1200画素）に近付けることである。結局、カラーフィルタの大きさは、定義された用途のディスプレーについて予め定められており、減少する傾向にある。加えて、カラーフィルタのサイズは、液晶における画素のサイズに精密に関連している。カラーフィルタの増大するサイズは、不可避的に、表示解像度の低下を含めてディスプレー全体の製造技術の変更を導くであろう。

更に、層の屈折率は、角度特性に顕著に影響することはできない。第一に、任意の材料の屈折率は1.5〜2の範囲内にある。該パラメータについてのこのような狭い範囲は、完全に狭いフレーム内での視野角の変化のみを許容するであろう。第二に、屈折率の値は、当該層の材料によって完全に決定され、またしばしば、当該層の機能によって予め決定される。例えば、偏光器の層は常に、その屈折率が約1.5の非線型光学材料から製造される。

加えて、一連の層の配置はそれらの機能的目的によって決定され、任意に変更できないことが多い。その上、このパラメータおよび屈折率は限定された効果しか有していない。これらの同じ議論は、ミラーの散乱特性についても当てはまる。

カラーフィルタのマトリックスとミラーとの間の層の厚さは、著しく魅力的なパラメータである。殆どの場合、マトリックスとミラーとの間の機能層の厚さは、それらの機能的目的に厳密に関連してはいない。材料およびディスプレーの製造技術の発展と共に、ディスプレーにおける殆どの層の厚さは顕著に減少する可能性がある。更に、変更を受ける層の選択における一定の自由度が存在し、これにより、一般的な技術シーケンスに対する著しい変更を伴わずに、ディスプレーの動作特性を向上することができる。

反射型カラーディスプレーにおける色歪みの問題を解決するための、単純で且つ製造可能な方法は、カラーフィルタとミラーとの間の層の厚さを減少させることである。

この要件の第一の結果は、液晶と透明リア側基板との間にリア側偏光器を配置することである。透明基板は、ディスプレーにおける他の層に比較してかなりの厚さを有しており（約1 mm以下）、マトリックスとミラーとの間の層の厚さを減少させるために、基板はミラーの後方に配置すべきである。リア側偏光器がミラーと液晶との間にあるという事実によって、偏光器のこのような配置は内部配置であり、即ち、リア側偏光器はディスプレーの透明基板の間に配置される。

カラーフィルタのマトリックスと、該カラーフィルタのマトリックスと反射層との間の層との合体された厚さは、照明の広いアンギュラーコーン内から当該ディスプレーの表面に入射してカラーフィルタを通過する光線が、反射層から反射された後に同じカラーフィルタを通って移動し、それによって角度依存性の色歪みのない、広い角度視野体積をもった反射型カラーディスプレーを提供するように選択される。

当該ディスプレーの動作特性の更なる向上は、より薄い偏光器を使用することによって達成すればよい。例えば、殆どのディスプレーに用いられる先行技術のヨウ素偏光器は、約200μmの厚さである。同時に、Optiva Inc.（USA）によって製造された偏光器は、約1μm未満の厚さである可能性がある。この偏光器は、光学的に異方性の二色性結晶薄膜から製造される。この薄膜は、小さい厚さ、低温感度、屈折率の高い異方性、異方性の吸光係数、角度特性、光が或る角度で広がる時の高い偏光特性、二色性比率の大きな値、および製造の単純さの等のその特徴的な性質に起因して、偏光器を製造する材料の能力において使用することができる。

これらの性質は、結晶薄膜の製造における材料および方法の一定の特性、特に、結晶薄膜の分子-結晶構造によるものである。該結晶薄膜は、少なくとも一つの有機材料の液晶層の結晶化を介して形成され、該有機材料は、整列の影響およびその後の乾燥を使用した基板上への液晶の適用を介して、リオトロピック液晶層またはサーモトロピック液晶層を形成するものである。異方性膜の有機材料の能力においては、少なくとも一つの有機材料が使用され、該有機材料の構造式には、極性溶媒中での溶解性を提供する少なくとも一つのイオン発生基、および／または非極性溶媒中での溶解性を与える少なくとも一つの非イオン発生基、および／または少なくとも一つのアンチイオンが含まれ、これらは全て、当該材料を得るプロセスにおいて分子構造に残留しまたは除去される。

光学的に異方性の二色性結晶薄膜は、一つまたは幾つかの有機材料の多数の超分子複合体によって形成される。Jean Marie Lehn, "Supramolecular Chemistry-Concepts and Perspectives", VCH Verlagsgesellschaft GmbH, 1995を参照されたい。更に、この超分子複合体は、伝搬する光の偏光を提供するために、一定の方法で整列される。

光学的に異方性の二色性結晶薄膜を形成する材料の最初の選択は、芳香族環におけるπ共役結合系の存在、並びに分子の平面内にあり且つ当該芳香族系の結合の一部に相当するアミン、フェノール、ケトン等の分子基の存在によって決定される。これら分子自体またはその断片は平坦な構造を有している。例えば、インダンスロン（indanthrone；Vat Blue 4)、またはジベンゾイミダゾール 1,4,5,8-ペリレン四カルボン酸（Vat Red 14）、またはジベンゾイミダゾールNo,4,9,10-ペリレン四カルボン酸、 またはキナクリドン（色素バイオレット19）等、それらの誘導体またはそれらの混合物は、安定なリオトロピック液晶層を形成する。その後、この選択は、当該膜の可視光範囲の透過スペクトル要件に従って狭められてよい。前記初期材料の能力をもった色素を使用することは、カラーフィルタまたは中性フィルタの矯正能力、並びに紫外または赤外フィルタの能力をもった偏光器の使用を可能にする。技術的な目的および利用される材料等が、これら可能なものの中からの選択を決定する。

このような有機化合物は、適切な溶媒中に溶解させるとコロイド系（リオトロピック液晶またはLLC）を形成し、分子は当該システムの動的ユニットである超分子複合体へと凝集する（WO 01/63346）。液晶層は、当該システムの予め定められた状態を呈し、これが材料の初期異方性を決定する。超分子の整列およびその後の溶媒の除去プロセスにおいて、光学的異方性、特に二色性を特徴とする硬い結晶薄膜が形成される。

この偏光器の整列プロセスは、その表面に、支配的な方向を有する微小起伏構造の形成を導く。これは、液晶ディスプレーにおいて、表面整列層の能力をもった偏光器の使用を可能にする。

得られた異方性の二色性結晶薄膜内において、分子の平面は相互に平行であり、また該分子は結晶薄膜の少なくとも一部において三次元結晶を形成する。製造方法を最適化すれば、単結晶性で且つ光学的異方性の二色性結晶薄膜を形成することが可能である。このような結晶薄膜における光学軸は、分子の平面に対して直角であろう。このような結晶性膜は、高度の異方性、並びに少なくとも一つの方向での高い屈折率および／または吸光係数を有しているであろう。即ち、偏光性の特徴を有するであろう。

吸光係数および屈折率、並びに主軸の整列に対して必要な異方性を与えること、即ち、多層構造における異方性の二色性結晶薄膜の光学的性質を与えることは、基板表面上の偏光膜において分子の一定の角度分布を使用することにより可能である。

また、中間的な光学的特性をもった結晶薄膜を得るために、コロイド系を混合することも可能である（この場合、溶液中には組合された超分子複合体が形成されるであろう）。コロイド系の混合物から得られた光学的に異方性の二色性結晶薄膜の吸光度および屈折率は、初期成分によって定義される範囲内で種々の値を取ることができる。混合物内の一つのパラメータ（平面間距離）が各有機化合物に共通であれば（3.4±0.3 A）、種々のコロイド系を混合して組合された超分子を作製することが可能である。

上記全ての方法による、製造プロセスにおいて膜の光学的性質に影響する可能性は、特定の目的に従ってそれらを「調節」することを可能にする。従って、これは偏光器の吸光スペクトルを変化させることを可能にするものであり、ディスプレーの色デリバリー品質および無彩色品質を提供するために有用である。それらの複屈折を使用することにより、膜は、所定の波長での位相シフトの定義された値を備えた光学的位相シフトの能力において使用することができる。膜の光学的異方性を変化させることにより、結晶薄膜偏光器を備えた装置の角度特性を向上させることができる。

光学的異方性の二色性結晶薄膜の厚さは、溶液中の固相含量によって制御される。当該溶液の濃度は、このような光学的異方性の結晶薄膜を製造する際のパラメータであり、製造の際に容易に制御される。

結晶薄膜が適用される表面は、該表面に均一な濡れ性を与えて親水性の表面を提供するために、追加の処理を受けてもよい。この追加の処理は、機械的処理、ベーキング、および機械化学的処理であってよい。また、このような処理は当該膜の厚さを減少させ、また規則性の程度を増大させる可能性がある。或いは、当該膜の規則性を増大させるために、基板の表面は、該表面の機械的処理によって異方性構造を整列させる特徴を有してもよい。

膜の光学的二色性は、ディスプレーのコントラスト比または角度特性を増大させるための位相シフトプレートの能力において、該膜から形成される偏光器を使用することを可能にする。

図６Ａ〜図６Ｄおよび図１４Ａ〜図２４Ｄは、本発明によるカラー液晶ディスプレーの四つの設計を概略的に示している。

透過反射型カラー液晶ディスプレーの実施形態を示す図６Ａ〜図６Ｄに示した設計は、説明を目的としたものであり、如何なる意味でも本発明の範囲を限定するものではない。一般に、当該ディスプレーは、フロントパネルおよびリアパネル、液晶、一対の電極、カラーフィルタのマトリックス、並びにリアパネルに配置された少なくとも一つの光学的異方性の結晶薄膜（層）を含んでいる。他の機能層、例えば保護層、平坦化層、位相シフト層、ディスプレーの光補正および無彩色品質、整列等のための層もまた、当該ディスプレーの中に組込むことができる。より良好な整列を与えるために、好ましくは、カラーフィルタのマトリックスと液晶とは可能な限り相互に近接して配置され、それらの間には機能的に必要な層のためだけのギャップを残す。カラーフィルタのマトリックスと液晶との間に、内部のリア側結晶薄膜を配置することは必要とされない。

図６Ａ〜図６Ｄを参照すると、この液晶ディスプレーは、フロント側偏光器601、570 nmの遅延膜のような遅延層602、ガラス性基板のようなフロント基板603、カラーフィルタマトリックス614、ITO電極のような透明電極604、TCF内部リア側偏光器のような光学的に異方性の結晶薄膜（TCF）606、アクリル層のような保護層607、半透明反射層のような反射層608、ガラス性基板のようなリア側基板603、および透過モードの特性を増強するための追加のリア側偏光器610を具備している。フロント側および追加のリア側の偏光器は、TCF偏光器または先行技術で入手可能な標準の偏光器であることができる。また、電極604を他の機能層から絶縁するために、二酸化ケイ素（SiO2）のような絶縁層615を含めることもできる。光路611およびバックライトユニット617は、当該ディスプレーの透過型モードを表している。光路612および周囲光源616は、当該ディスプレーの反射型モードを表している。液晶は、符号613によって表されている。

図６Ａに示した一つの実施形態において、カラーフィルタのマトリックス614は、リアパネルの内部リア側偏光器606と反射層608の間に配置される。この設計において、内部リア側TCF偏光器606は、カラーフィルタ614による光散乱および偏光解除によって生じる「偏光クリーンアップ効果」を提供することができる。特に、バックライトユニットからの光は、外側の追加のリア側偏光器610を通過して偏光される。バックライトが偏向される場合は、リア側偏光器610は必要ではない。偏向された光は、それがカラーフィルタマトリックス614を通過するときに部分的に偏光解除される。次いで、内部リア側TCF偏光器606のような第二の偏光器が、前記偏光解除された光を再度偏向させる。従って、最初の偏光段階において幾らかの光リークが存在すれば、内部TCF偏光器606が、光路の最終偏光器による偏光分析に先立って光を再偏光させることにより、ディスプレーのコントラストを改善することができる。なお、この最後の機能は、ディスプレーの反射型および透過型の両方の動作モードに適用可能である。

図６Ｂに示したもう一つの実施形態において、カラーフィルタのマトリックス614は、フロントパネルに配置され、且つフロント側電極層604の次の液晶613に近接して配置される。この設計は、液晶ディスプレーの整列を改善することができる。

図６Ｃに示した更なる実施形態において、カラーフィルタのマトリックス614は、リアパネルにおける反射層608の頂部に配置され、また内部リア側偏光器606は液晶に近接して配置される。この設計においては、内部リア側偏光器606もまた整列層として機能する。

図６Ｄに示したもう一つの実施形態においては、カラーフィルタのマトリックス614がフロントパネルに配置される。内部リア側偏光器606は、リア側電極604と反射層608との間に配置される。この設計は、ディスプレーの動作において駆動電圧を低減または排除することができる。

本発明の光学的に異方性の結晶薄膜（層）は、図６Ａ〜図６Ｄおよび図２４Ａ〜図２４Ｄに示した偏光器として機能することができる。それはまた、補償層、色補正層として機能することができ、または偏光機能、補償機能および色補正機能の何れかの組合せとして働くことができる。

図２４Ａ〜図２４Ｄを参照すると、この液晶ディスプレーは、偏光器240、ガラス製基板のようなフロント側基板2403、カラーフィルタマトリックス2406、光学的に異方性の結晶薄膜（TCF）2405偏光器、半透明反射層のような反射層2408、ガラス製基板のようなリア側基板2412を具備している。偏光器2401は、TCF偏光器または先行技術で入手可能な標準の偏光器であることができる。光路2410およびバックライトユニット2407は、当該ディスプレーの透過型モードを表している。光路2409および周囲光源2411は、当該ディスプレーの反射型モードを表している。液晶は、符号2404によって表されている。フロントパネルおよびリアパネルは、それぞれ2440および2430で指定されている。距離240は、カラーフィルタマトリックス2406と光学的に異方性の結晶薄膜（TCF）2405偏光器との間の距離である。符号2402は、保護層、平坦化層または整列層等のような、必須ではないが可能な層を表している。

図２４Ａは、カラーフィルタのマトリックス2406および光学的に異方性の結晶薄膜（TCF）偏光器2405がリアパネル2430上に配置された、反射型または透過型の設計を概略的に示している。光学的に異方性の結晶薄膜（TCF）偏光器2405は、内部に設けられる。図２４Ａの左側のパネルは、偏光器2405がカラーフィルタマトリックス2406と液晶2404との間に配置される場合を概略的に示しており、また図２４Ａの右側のパネルは、偏光器2405がカラーフィルタマトリックス2406と不透明もしくは半透明の反射層2408の間に配置される場合を概略的に示している。カラーフィルタマトリックス2406と偏光器2405の間における他の層の存在は、符号2402で示すように、左側および右側の両方のパネルについて任意である。フロント側偏光器2401は、任意に、先行技術による従来の偏光器であるが、または光学的に異方性の結晶性薄膜偏光器である。

図２４Ｂは、カラーフィルタのマトリックス2406および光学的に異方性の結晶薄膜（TCF）偏光器2405が、リアパネル上に配置された透過型設計を概略的に示している。光学的に異方性の結晶薄膜（TCF）偏光器2405は、内部に設けられる。図２４Ｂの左側のパネルは、偏光器2405がカラーフィルタマトリックス2406と液晶2404との間に配置される場合を概略的に示しており、また図２４Ｂの右側のパネルは、偏光器2405がカラーフィルタマトリックス2406とバックライトユニット2407との間に配置される場合を概略的に示している。

図２４Ｃは、カラーフィルタのマトリックス2406がフロントパネル2440上に配置された透過型設計を概略的に示している。光学的に異方性の結晶薄膜（TCF）偏光器2405は、図２４Ｃの左側のパネルでは内部に設けられ、図２４Ｃの右側のパネルでは外部に設けられている。

図２４Ｄは、カラーフィルタのマトリックス2406がフロントパネル2440上に配置された反射型または透過型の設計を概略的に示している。光学的に異方性の結晶薄膜（TCF）偏光器2405は、図２４Ｄの左側のパネルでは内部に設けられ、図２４Ｄの右側のパネルでは外部に設けられている。リアパネル2430は、図２４Ｃおよび図２４Ｄにおいて、少なくともリア側の内部偏光器層2415を備えるように概略的に示されている。

オフ状態のディスプレーにおける液晶の配向分布は、ディスプレーが製造されるときの配列層によって決定される。オン状態において、液晶の配向は、整列表面での固定によってツイスト状態のまま残留する境界のサブ層を除き、全ての液晶層の厚さに亘って、電極により形成される電界に沿って整列する傾向を有している。方位角固定強度の典型的な値（〜0.2 mJ/m²）について、これらのツイストされたサブ層は、極めて高い印加電界（30 V/μm）でも残留し、当該ディスプレーの光学的特性に影響を与えることができる。

図２２は、平面内電極に印加される異なる値の電圧において、液晶を横切る方位角液晶配向分布（ｘ軸と、ｘｙ平面上への配向投影との間の角度）を示している。図２２は、平面内電極に10 Vが印加された場合でも、配向が電界から偏位した二つの境界サブ層が存在することを示している（電界はｘ軸に沿っている。即ち、その方向はゼロ方位角に対応する）。これらのサブ層は、液晶層を通過する光の楕円偏光を生じ、光が垂直に入射するときでさえもコントラスト比を低下させる。

従って、このツイストしたサブ層を光学的に補償するために、本発明の結晶薄膜を使用することが望ましい。本発明の結晶薄膜を補償層として使用することは、正常な観察のためのコントラスト比を顕著に改善し、また動作電圧を顕著に低減することができる。

本発明の液晶ディスプレーにおける一つの利点は、液晶の背後の内部偏光器の使用である。これは、ディスプレーのコントラスト比を増大することができ、また反射型ディスプレーおよび透過型ディスプレーの両方の設計を使用するユニークな機会を提供することができる。更に、このような構成は、カラー液晶ディスプレーを作製するためにカラーフィルタのマトリックスと共に使用され、色歪みを伴わずにディスプレー上に画像が現れる角度の増大を実現することができる。また、本発明の液晶ディスプレーは製造プロセスを単純にし、生成される画像の明るさを増大させ、また透過型のディスプレーの適用を単純化する。

透過反射型STN LCDの特性のシミュレーションを行った。4×4の完全伝搬マトリックスコンピュータアプローチが、以下のベレマンの計算技術（Berreman's calculation techniques）において使用される。二つの事例を考慮する。即ち、第一の事例は、リア型の内部偏光器を使用した反射型モードの動作についてである。Optivaの特許材料から製造された結晶薄膜（TCF）偏光器が、内部偏光器のために使用された。第二の事例は、より高いコントラストを生じるように、第三の（「C」）偏光器を通過するバックライトを考慮した透過型モードの動作である。この第三の偏光器は、追加のTCF層としてモデル化された。TCF偏光器は、カリホルニア州南サンフランシスコ所在のOptiva Inc.から商業的に入手可能である。

シミュレートされた構造は、図６Ｄに示したものである。この構造は、フロント側の高効率の慣用的偏光器EG1224DU 601、570 nmの遅延膜602、ガラス製のフロント側およびリア側の基板603、一対の透明電極（ITO）604、アクリル製保護層607、内部リア側TCF偏光器606、絶縁層115、半透明の反射層608、およびより高いコントラスト比の透過型モードのために使用される追加の外部リア側TCF偏光器610を具備している。符号611およびバックライトユニット617は、透過型モードにおける光路を表している。符号612および周囲光源616は、反射型モードにおける光路を表している。符号613は、液晶層を表している。反射防止コーティングが、フロント側偏光器のフロント側に堆積される。表１は、該材料のパラメータを要約している。

表１： 材料の基本特性

液晶ディスプレーにおける偏光器の透過軸が、図７に点線で示されている。符号701は、フロント側偏光器の透過軸を表している。符号702は、リア側の内部偏光器および追加のリア側外部偏光器における透過軸を表している。液晶のラビング方向が図８に示されている。符号701は、液晶のフロント側でのラビング方向を表し、符号702は、液晶のリア側でのラビング方向を表している。液晶のツイスト角度は240°である。表２は、透過型モードおよび反射型モードの両方についてのシミュレーション結果を要約している。

表２： シミュレーション結果

反射型モードについて得られた特定の結果は、図９〜図１１にも示されている。図９は、等コントラスト比の極座標プロットである。

図１０は、ディスプレーの反射スペクトル図である。図１１は色度図である。透過型モードについて得られた特定の結果が図１２〜図１３に示されている。図１２は、ディスプレーの透過スペクトル図である。図１３は色度図である。図１０〜図１３において、符号1001は波長軸を表し、符号1002は反射軸を表し、符号1003はディスプレーの電圧オフ状態を表し、符号1004はディスプレーの電圧オン状態を表し、また符号1005は透過軸を表す。

両方のモードは、コントラスト比、発光出力効率、および無彩色特性の角度依存性における非常に良好な特性を明らかにしており、従って、本発明の有用性を示している。

実施例１における設計および表３に示した材料を使用して、透過反射型STN LCDの特性のシミュレーションを行った。

表３： シミュレーションに使用した材料

フロント側およびリア側の整列層のラビング方向、内部リア側偏光器およびフロント側偏光器の透過軸、および液晶のツイスト角度が、図１４に示されている。この設計において、従来の高効率Sanritzu HLC2-5618SYが、フロント側偏光器および透過型モードのための追加のリア側外部コントラスト増強偏光器の両方のために使用された。また、この設計は、追加のリア側外部コントラスト増強偏光器の透過軸が、リア側の内部TCF偏光器の透過軸に対して15°回転される点において特に注目される。実際に、この設計は、透過型モードでの動作のためのリア側補償層として内部TCF層の遅延を利用し、透過型モードの動作の光出力およびコントラスト比の実質的な改善をもたらす。

反射型モードの特性が図１５〜図１７に示されている。透過型モードの特性が図１８〜図２０に示されている。表４は、反射型モードおよび透過型モードの両方についての、コントラスト比、軸上の反射／透過、および色度の優れた特性を要約している。なお、この場合のシミュレートされた特性は、ディスプレーのフロント側表面上に反射防止コーティングを想定していない。このようなコーティングが組込まれていれば、反射型モードにおける特性は実質的に非常に高くなったであろう。加えて、この場合の特性シミュレーションは、春かに高いディスプレー多重化速度（160 rows）について、および以前の例（48 rows）についてのものであることを留意すべきである。

表４： 提示された設計の基本的特性

本発明の結晶薄膜を使用した、平面内のスイッチングおよび光学補償のシミュレーションを行った。平面内の電界に対して45°の初期平面LC配向分布を考察した。

図２１は、シミュレーション設計を概略的に示している。この設計においては、二つの偏光器が交差して、液晶層がオフ状態で白色の外観を生じる複屈折プレートとして機能する、正常な白モードの動作が考察された。

このシミュレーション設計は、ガラスプレート2102、1.9ミクロンの厚さを有する液晶層2103、整列PI層２１０７、黄色TCF補償膜2105を具備している。フロント側標準偏光器2106は、ｙ座標軸に対して0°〜10°だけ角度的にオフセットし透過軸を有している。リア側の標準偏光器2104は、ｙ座標軸に対して90°だけ角度的にオフセットした透過軸を有している。広い白抜きの矢印2101は、見る人からディスプレーのフロント側への方向を示している。

このシミュレーションに使用した材料およびそのパラメータは次の通りである。
偏光器（2104，2106）はＯ型であり、二色性比率30、屈折率1.5（厚さは0.2 mmで、ｋ₀＝0.001 μm^-1）を特徴とするものであった。これらの偏光器は交差され（φ₁，φ₂）＝(0°，90°)、 LC偏光器に対して45°オフセットした透過軸を有していた。
ガラスプレート（2102）は、厚さが0.8mmで、屈折率ｎ＝1.5であった。
整列PI層（2107）は、厚さ0.8mm（ｎ＝1.68）であった。
黄色のTCF材料は、カリホルニア州南サンフランシスコのOptiva Inc.から入手可能であり、補償層（2105）として使用された（λ＝550 nmにおいて、黄色TCF材料は光学的異方性Δｎ＝0.3を特徴とする）。
正常な白色モードの動作を行うために、LC層（2103）の遅延は、半波長プレートの一つに近接するように選択された。従って、Δnd≒280 nm（MLC-6204-000について、d=1.87μm）。

光学的補償を最適化するために、図２３Ａおよび図２３Ｂに示すように、パラメータ最適化マップが評価された。これらのマップは、第一の偏光器（2106、光源に近い方の偏光器）の透過軸および厚さ0.5μmのTCF遅延器（2105）の遅延軸の向きに対する、透過係数（図２３Ａ）およびコントラスト比（図２３Ｂ）の依存性を示している。技術的プロセスを単純化するために、TCFの厚さは固定された。

スケール2301は、灰色レベルと、透過係数（図２３Ａ）またはコントラスト比（図２３Ｂ）の値との間の対応を示している。図２３Ａおよび図２３Ｂにおいて、軸2303上には第一の偏光器における透過軸の配向角度が示されており、軸2302上にはTCF遅延器の遅延軸の向きが示されている。図２３Ａおよび図２３Ｂは、透過軸の角度φが約10°である一方、TCF遅延器の遅延軸がφ＝0°であるように、即ち、印加電界と一致するように、フロント側偏光器が交差状態から偏位したときに、最大のコントラスト比および明るさが達成できることを示している。この光学的補償は、垂直な光入射でのコントラスト比の顕著な増大をもたらす。

液晶ディスプレーの補償設計において、TCF遅延器の使用は、コントラスト比の改善をもたらす。この目的でのTCF遅延器の使用は、液晶ディスプレーのコントラストが主要な特性であるときに好ましい。この設計は、液晶ディスプレーの設計および使用するTCF遅延器に依存する視認特性において幾らかの低下を導くかもしれない。

以上、カラー液晶ディスプレーを説明してきた。本発明の特定の実施形態についての上記の説明は、例示および説明のために提示されたものである。それらは網羅的なものではなく、また開示された正確な形態に本発明を限定しようとするものでもない。明らかに、上記教示の観点から多くの修飾、実施形態および変形例が可能である。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物によって定められるものである。

図１は、一つの偏光器を備えた反射型カラー液晶ディスプレーを示す概略図である。 図２は、二つの偏光器を備えた反射形カラー液晶ディスプレーを示す概略図である。 図３は、カラーフィルタマトリックスの一つの変形例を示す概略図である。 図４は、屈折率の異なる二つの層およびミラーを有する構造を通しての、入射光線の伝搬を示す概略図である。 図５は、液晶ディスプレーの多層構造を通る光線の伝搬を示す概略図である。 図６Ａは、本発明によるリア側内部偏光器を有する液晶ディスプレーの幾つかの設計の一つを示す概略図である。 図６Ｂは、本発明によるリア側内部偏光器を有する液晶ディスプレーの幾つかの設計の一つを示す概略図である。 図６Ｃは、本発明によるリア側内部偏光器を有する液晶ディスプレーの幾つかの設計の一つを示す概略図である。 図６Ｄは、本発明に従うリア側内部偏光器を有する液晶ディスプレーの幾つかの設計の一つを示す概略図である。 図７は、本発明の一実施形態に従う液晶ディスプレーにおける偏光器軸を示す概略図である。 図８は、本発明の一実施形態に従うラビング方向および液晶のツイスト角度を示す概略図である。 図９は、本発明の一実施形態に従う反射型液晶ディスプレーについてのコントラストスポットである。 図１０は、本発明の一実施形態に従うオン状態およびオフ状態における反射型液晶ディスプレーについての反射スペクトル図である。 図１１は、本発明の一実施形態に従うオン状態およびオフ状態における反射型液晶ディスプレーについての色度図である。 図１２は、本発明の一実施形態に従うオン状態およびオフ状態における透過型液晶ディスプレーのための透過スペクトル図である。 図１３は、本発明の一実施形態に従うオン状態およびオフ状態における透過型液晶ディスプレーについての色度図である。 図１４は、本発明の一実施形態に従う偏光器軸、ラビング方向および液晶のツイスト角度を示す概略図である。 図１５は、本発明の一実施形態に従う反射型液晶ディスプレーについてのコントラストプロットである。 図１６は、本発明の一実施形態に従うオフ状態およびオン状態の反射型液晶ディスプレーについての反射率スペクトル図である。 図１７は、本発明の一実施形態に従うオン状態およびオフ状態の反射型液晶ディスプレーについての色度図である。 本発明の一実施形態に従う透過型液晶ディスプレーについてのコントラストプロットである。 図１９は、本発明の一実施形態に従うオン状態およびオフ状態の透過型液晶ディスプレーについての透過率スペクトル図である。 図２０は、本発明の一実施形態に従うオン状態およびオフ状態の透過型液晶ディスプレーについての色度図である。 図２１は、本発明の一実施形態に従う補償層を含む層構造を示す概略図である。 図２２は、異なる値の平面内電圧下における液晶の方位角分布を示している。 図２３Ａは、本発明の一実施形態に従う結晶薄膜補償層を備えた液晶ディスプレーについての透過係数を示すパラメータマップである。 図２３Ｂは、本発明の一実施形態に従う結晶薄膜補償層を有する液晶ディスプレーについてのコントラスト比を示すパラメータマップである。 図２４Ａは、カラーフィルタのマトリックスおよび光学的異方性の結晶薄膜（ＴＣＦ）偏光器がリアパネル上に配置された、反射型設計または透過反射型設計を概略的に示している。 図２４Ｂは、カラーフィルタのマトリックスおよび光学的異方性の結晶薄膜（ＴＣＦ）偏光器がリアパネル上に配置された透過型設計を概略的に示している。 図２４Ｃは、カラーフィルタのマトリックスがフロントパネル上に配置された透過型設計を概略的に示している。 カラーフィルタのマトリックスがフロントパネル上に配置された、反射型設計または透過型設計を概略的に示している。

Claims (22)

1. 少なくとも一つの偏光器を含むフロントパネルと；
   少なくとも一つの偏光器を含むリアパネルと；
   前記フロントパネルおよびリアパネルの間に配置された液晶と；
   前記リアパネル上の反射層と；
   前記リアパネル上に配置されたカラーフィルタのマトリックスとを具備し、
   前記リアパネル上の偏光器は、透過軸が分子の平面に対して直角であり、分子の平面が透過軸に沿って3.4±0.3Åの平面間距離を有する結晶薄膜であり、内部偏光器として、前記カラーフィルタのマトリックスと前記反射層との間に配置され、
   前記カラーフィルタのマトリックスと前記反射層との間に配置された全ての層の合体された厚さが10ミクロンを越えない液晶ディスプレー。
2. 請求項１に記載の液晶ディスプレーであって、前記カラーフィルタのマトリックスと、該カラーフィルタのマトリックスと前記反射層の間の層との合体された厚さが、照明の広いアンギュラーコーン内からディスプレーの表面に入射し且つカラーフィルタを通って伝搬する光線が、前記反射層で反射された後に同じカラーフィルタを通って移動し、それによって角度依存性の色歪みのない広い角度視野体積を持った反射型カラーディスプレーを与えるように選択される液晶ディスプレー。
3. 請求項１または２に記載の液晶ディスプレーであって、前記フロントパネル上の偏光器が内部に設けられる液晶ディスプレー。
4. 請求項１または２に記載の液晶ディスプレーであって、前記フロントパネル上の偏光器が外部に設けられる液晶ディスプレー。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、前記液晶がツイスト-ネマチック液晶である液晶ディスプレー。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、前記液晶が超ツイスト-ネマチック液晶である液晶ディスプレー。
7. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、前記液晶が垂直整列モードを利用する液晶ディスプレー。
8. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、前記液晶が平面内スイッチモードを利用する液晶ディスプレー。
9. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、該ディスプレーがパッシブマトリックス型のアドレッシングを使用して駆動される液晶ディスプレー。
10. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、該ディスプレーがアクティブマトリックス型のアドレッシングを使用して駆動される液晶ディスプレー。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、前記偏光器の少なくとも一つが、整列層、遅延層、色補正層、またはそれらの何れかの組合せに相当する液晶ディスプレー。
12. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、少なくとも一つの内部偏光器がＡ-プレート遅延器である液晶ディスプレー。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、前記反射層が導電性であり、電極として機能する液晶ディスプレー。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、更に、前記フロントパネルのフロント側表面に適用された反射防止コーティングを具備する液晶ディスプレー。
15. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、更に、前記フロントパネルのフロント側表面に適用された眩しさ防止コーティングを具備する液晶ディスプレー。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、更に、次の機能層、即ち、層遅延器、保護層、散乱層および色補正フィルタのうちの少なくとも一つを具備する液晶ディスプレー。
17. 請求項１〜１６のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、前記反射層が拡散反射体である液晶ディスプレー。
18. 請求項１〜１６のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、前記反射層が鏡面反射体である液晶ディスプレー。
19. 請求項１〜１６のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、前記反射層が、利得散乱を生じる方法で鏡面特性および拡散特性の両方を組合せる液晶ディスプレー。
20. 請求項１〜１６のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、前記反射層が半透明であり、該ディスプレーは更にバックライトシステムを具備する液晶ディスプレー。
21. 請求項１〜１６、２０のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、前記反射層が、ホログラフィー反射体である液晶ディスプレー。
22. 請求項１〜２１のいずれか１項に記載の液晶ディスプレーであって、前記内部偏光器がリオトロピック液晶から形成される液晶ディスプレー。

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