JP4926705B2 - 半透過型液晶表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は半透過型液晶表示装置に関し、特にバックライト光を有効利用する半透過型液晶表示装置に関する。
正面側から入射する外光を反射させて当該正面側に導くとともに、裏面側からのバックライトシステムによる入射光を透過させて同じ正面側へと導く、いわゆる半透過型液晶表示装置が本格的に実用化されつつある。このタイプの液晶表示装置は、使用環境が明るいときには主として外光（周囲光）により（反射モード）、暗いときには主としてバックライトシステムの自発光光により（透過モード）、効果的な画像表示をなすものである。
先行技術文献ＵＳ２００１／００１７６７９、ＵＳ２００２／００８９６２３には、このようなタイプの液晶表示装置が開示されている。
ここで、図１を用いて従来の半透過型液晶表示装置について説明する。図１は、従来の半透過型液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。
図１における半透過型液晶表示装置は、透過モードの際に用いるバックライト１と、このバックライト１の上方に配置された液晶パネル２と、この液晶パネル２を挟むように配置された一対の円偏光板３，４とから主に構成されている。
バックライト１は、光を案内する板状の導光板１ｃと、その導光板１ｃの端部に配置された光源（図示せず）とから構成されている。導光板１ｃの液晶パネル２側の表面には、導光板１ｃを介して液晶パネル２に出射する光を拡散する拡散膜１ａが設けられており、導光板１ｃの液晶パネル２側と反対側の表面には、光源からの光を反射する反射膜１ｂが設けられている。
液晶パネル２は、一対のガラス基板２ａ，２ｂと、その間に挟持された液晶層２ｃと、ガラス基板２ａ上の反射領域Ｂに設けられた段差部材２ｅと、段差部材２ｅ上に形成された反射膜２ｄとを含む。
ガラス基板２ａ上には、画素が形成されており、その各画素には、上記反射膜２ｄを有する反射領域Ｂと、バックライト１からの光を透過するための開口を有する透過領域Ａ（反射膜が存在しない領域）とが形成されている。各画素においては、反射領域Ｂは、透過領域Ａを取り囲むように形成されている。
なお、液晶パネル２には、電極、カラーフィルター、液晶分子の配向を制御する配向膜を有するが説明を簡略にするためにここでは省略する。
円偏光板３，４は、それぞれ逆向きの円偏光板である。ここでは、円偏光板３を右円偏光板とし、円偏光板４を左円偏光板とする。
上記構成を有する半透過型液晶表示装置において、透過モードでバックライト１の光を光源として用いる場合、反射領域Ｂにおいてバックライト１から出射された光が円偏光板３を通過する。円偏光板３は右円偏光板であるので、円偏光板３を通過した光は、左円偏光の成分が吸収されて右円偏光となる。
この右円偏光は、液晶パネル２の反射膜２ｄで反射される。反射膜２ｄで反射された光は、右円偏光から左円偏光に変わる。この左円偏光が再び円偏光板３に達すると、円偏光板３が右円偏光板であるために、左円偏光は円偏光板３で吸収されて円偏光板３を通過することはできない。
半透過型液晶表示装置においては、上述したように各画素に反射領域と透過領域とを有する。通常反射領域の方が透過領域広いので、透過モードの際に上記のようにバックライト１からの光が反射膜２ｄで反射することにより結果として円偏光板３で吸収されてしまうと、透過モードにおいてバックライト１の多くの光が十分に利用されなくなる。
本発明の目的は、透過モードにおいてバックライトの光を十分に有効利用することができる半透過型液晶表示装置を提供することを目的とする。
本発明に係る半透過型液晶表示装置は、互いに対向させた一対の基体間に液晶材料が封入されており、前記一対の基体の一方の基体上に形成された画素がそれぞれ透過領域及び反射領域を有する液晶パネルを備え、
前記液晶パネルの外側に配置された一対の円偏光部材と、前記一対の円偏光部材の一方の円偏光部材の外側に配置されたバックライトと、を具備し、
前記反射領域は、前記液晶パネルのバックライト配置側と反対側からの外光を反射する反射部材を備えており、前記反射領域は、前記反射部材の前記バックライト側に位相差形成手段を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、反射領域におけるバックライトからの円偏光の偏光方向を位相差形成手段により反転させることができる。このため、反射部材で反射された光が円偏光部材を通過することができるようになる。したがって、従来使用されずに無駄となっていた、反射領域におけるバックライトからの光を透過モードで使用することができる。
本発明の半透過型液晶表示装置においては、前記位相差形成手段が、円偏光が２度通過することにより円偏光の方向を反転させる機能を有することが好ましい。
本発明の半透過型液晶表示装置の一態様においては、位相差形成手段が、一対の基体のバックライト配置側の基体の液晶パネル内側の主面における反射領域上に設けられ、位相差形成手段上に前記反射部材が設けられている。この場合、位相差形成手段は、λ／４分位相を遅らせるリターデーション膜であることが好ましい。また、位相差形成手段は、透過領域における透過率と反射領域における反射率とのバランスを調整するための段差部材を兼ねることが好ましい。
本発明の半透過型液晶表示装置の他の態様においては、位相差形成手段は、配向処理された高分子液晶層である。この場合、高分子液晶層は、λ／４分位相を遅らせることが好ましい。
本発明の半透過型液晶表示装置の他の態様においては、位相差形成手段は、一対の基体のバックライト配置側の基体の液晶パネル外側の主面における反射領域上に設けられている。この場合、位相差形成手段は、λ／４分位相を遅らせるリターデーション膜又は位相差フィルムであることが好ましい。
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１に係る半透過型液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。なお、図２においては、実際には、電極、カラーフィルター、配向膜などの電子素子や光学素子が存在するが、説明を簡単にするために、これらの記載を省略している。
図２における半透過型液晶表示装置は、透過モードの際に用いるバックライト１１と、このバックライト１１の上方に配置された液晶パネル１２と、この液晶パネル１２を挟むように配置された一対の円偏光板１３，１４とから主に構成されている。
バックライト１１は、光を案内する板状の導光板１１ｃと、その導光板１１ｃの端部に配置された光源（図示せず）とから構成されている。導光板１１ｃの液晶パネル１２側の表面には、導光板１１ｃを介して液晶パネル１２に出射する光を拡散する拡散膜１１ａが設けられており、導光板１１ｃの液晶パネル１２側と反対側の表面には、光源からの光を反射する反射膜１１ｂが設けられている。
このような構成のバックライト１１においては、光源から出射された光が導光板１１ｃに入射し、導光板１１ｃの反射膜１１ｂで反射されて液晶パネル１２方向（図２において上方）に向う。この光は、導光板１１ｃの拡散膜１１ａで拡散されてバックライト１１の光として透過モードで使用される。
光源としては、ＬＥＤ（発光ダイオード）などを用いることができる。また、反射膜１１ｂとしては、アルミニウム膜などの金属膜を用いることができる。また、拡散膜１１ａとしては、拡散粒子入りポリカーボネートフィルムなどを用いることができる。
液晶パネル１２は、一対のガラス基板１２ａ，１２ｂと、その間に挟持された液晶層１２ｃと、ガラス基板１２ａ上の反射領域Ｂに設けられた位相差形成手段であるリターデーション膜１２ｅと、リターデーション膜１２ｅ上に形成された反射膜１２ｄとを含む。このリターデーション膜１２ｅは、例えばλ／４分（約１００〜２００ｎｍ）位相を遅延させる機能を有する。リターデーション膜１２ｅの材料としては、ポリカーボネートなどの樹脂材料などを用いることができる。
ガラス基板１２ａ上には、画素が形成されており、その各画素には、上記反射膜１２ｄを有する反射領域Ｂと、バックライト１１からの光を透過するための開口を有する透過領域Ａ（反射膜が存在しない領域）とが形成されている。各画素においては、反射領域Ｂは、透過領域Ａを取り囲むように形成されている。
リターデーション膜１２ｅを用いて各画素内に反射領域Ｂと透過領域Ａとを形成する場合、まず、ガラス基板１２ａ上にリターデーション膜１２ｅを形成する。例えば、リターデーション膜用の樹脂材料をスピンコーティング法などによりガラス基板１２ａ上に被着してリターデーション膜１２ｅを形成する。
このリターデーション膜１２ｅは、段差部材を兼ねることができるので、製造工程を簡略化することが可能である。段差部材は、透過モードにおける透過率と反射モードにおける反射率のバランスを調整するために設けられるものであり、反射領域Ｂにおけるセルギャップと透過領域Ａにおけるセルギャップとの間の比が約１：２になることが好ましい。通常、この比を実現するために段差部材の厚さを制御する。
次いで、リターデーション膜１２ｅ上に反射膜１２ｄを形成する。例えば、アルミニウムなどの反射膜用材料をスパッタリング法によりリターデーション膜１２ｅ上に被着して反射膜１２ｄを形成する。次いで、反射膜１２ｄ及びリターデーション膜１２ｅをパターニングして透過領域Ａに対応する開口を形成する。したがって、反射膜１２ｄは、ガラス基板１２ａの反射領域Ｂ上にリターデーション膜１２ｅを介して設けられる。
したがって、反射領域Ｂにおいては、反射部材である反射膜１２ｄのバックライト側に位相差形成手段であるリターデーション膜１２ｅが配置された構成を採る。
円偏光板１３，１４は、それぞれ逆向きの円偏光板である。ここでは、円偏光板１３を右円偏光板とし、円偏光板１４を左円偏光板とする。円偏光板１３，１４は、ガラス基板１２ａ，１２ｂの外側の表面にそれぞれ貼付することなどによりガラス基板１２ａ，１２ｂに設けることができる。
次に、上記構成を有する半透過型液晶表示装置における動作について説明する。なお、外光を光源として使用する反射モードにおける動作は、通常の半透過型液晶表示装置と同じであるので、その説明は省略する。
バックライト１１の光を表示の光源として用いる透過モードにおいては、反射領域Ｂにおいてバックライト１１から出射された光は円偏光板１３を通過する。円偏光板１３は右円偏光板であるので、円偏光板１３を通過した光は、左円偏光の成分が吸収されて右円偏光となる。
この右円偏光は、液晶パネル１２のリターデーション膜１２ｅに入射すると、その位相がλ／４分が遅れる。λ／４分位相が遅れた光は、直線偏光となり、反射膜１２ｄで反射される。反射膜１２ｄで反射された光は、再びリターデーション膜１２ｅでその位相がλ／４分が遅れる。これにより、この直線偏光は、再び右円偏光になる。したがって、リターデーション膜１２ｅを通り、反射膜１２ｄで反射して、再びリターデーション膜１２ｅを通った右円偏光は、そのまま右円偏光になる。すなわち、右円偏光は、反射膜１２ｄで反射することにより左円偏光になるが、リターデーション膜１２ｅを２回通過するので、その位相が２×λ／４分遅れるので、右円偏光になる。
この右円偏光は、右円偏光板である円偏光板１３をそのまま通過する。そして、バックライト１１の反射膜１１ｂで反射して、拡散膜１１ａで拡散される。右円偏光は、拡散膜１１ａを通るときに円偏光が解消されてバックライト１１と同じ自然光に戻る。このため、このバックライト１１で反射した光は、透過領域Ａにおいてバックライト１１から直接出射される光に加わる。すなわち、従来使用されずに無駄となっていた、反射領域Ｂにおけるバックライト１１からの光が、透過モードで使用できることになる。
次に、図１及び図２を用いて、本発明の効果について説明する。ここでは、理解を簡単にするために、バックライト１，１１から出射する光の量を１００とし、反射領域Ｂと透過領域Ａとの間の面積比（％）をＢ：Ａとする。
図１に示す従来の半透過型液晶表示装置において、透過モードでは、反射領域Ｂのバックライト１から出射された光は、上述したように円偏光板３を通過できないために無駄になる。このため、透過領域Ａのバックライト１１から出射した光のみが表示に使用される。したがって、透過モードで使用される光の利用率は５０Ａ％である。
一方、図２に示す本発明の半透過型液晶表示装置においては、透過モードでは、反射領域Ｂのバックライト１から出射された光は、上述したように円偏光板３を通過できるために表示に利用することができる。この光の利用率は、光再利用率をαとするとαＢ％である。また、透過領域Ａのバックライト１１から出射した光の利用率は上記のように５０Ａ％である。したがって、透過モードで使用される光の利用率はαＢ％＋５０Ａ％となる。
なお、光再利用率αは、バックライト１１の反射膜１１ｂの反射率と拡散膜１１ａの円偏光解消度とに影響される値であり、反射膜１１ｂの反射率や拡散膜１１ａの円偏光解消度が小さいとαも小さくなる。
このように、本実施の形態における半透過型液晶表示装置によれば、透過モードにおいて、反射領域Ｂにおいてバックライト１１から出射された光を有効利用することができるので、パネルの輝度を同じレベルに維持すると、必要なバックライト１１の出力を従来よりも抑えることができる。その結果、バックライト１１の消費電力を小さくすることができ、バックライト１１の寿命を長くすることが可能となる。また、従来と同じレベルのバックライト１１の出力を用いると、パネルの輝度を高くすることが可能となる。
さらに、透過モードにおいて従来と同じ透過率を実現するのであれば、画素における透過領域（開口）Ａをより狭くすることができるので、相対的に反射領域Ｂを広くすることが可能となる。その結果、反射モードにおける反射率を大きくすることができ、反射モードにおける表示性能を高くすることも可能である。
（実施の形態２）
本実施の形態においては、液晶パネルの反射領域に設けられた位相差形成手段の他の例について説明する。本実施の形態では、位相差形成手段にインセルリターダーを用いた場合について説明する。
図３（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る半透過型液晶表示装置の位相差形成手段の他の例を示す断面図である。ここで、図３（ａ）において図２と同じ部材には図２と同じ参照符号を付す。
図３（ａ）に示すリターデーション膜１２ｅは、通常の段差形成層１２ｆと、インセルリターダー１２ｇとで構成されている。このインセルリターダー１２ｇは、液晶分子を配向させた高分子液晶層などで構成することができる。
図３（ａ）に示すリターデーション膜１２ｅを形成する場合、まず、ガラス基板１２ａ上にポリイミドなどからなる配向膜（図示せず）を形成する。次いで、この配向膜をラビングすることにより配向膜に配向処理を施す。その後、高分子液晶を配向膜上にコーティングし、配向させる。このようにしてインセルリターダー１２ｇをガラス基板１２ａ上に形成する。これにより、位相差を形成することができる。本発明においては、λ／４分位相を遅らせることが望ましいので、それに応じて膜厚や温度を制御することが好ましい。
次いで、インセルリターダー１２ｇ上に段差部材１２ｆを形成する。段差部材１２ｆとしては樹脂材料を用いることができる。段差部材１２ｆをインセルリターダー１２ｇ上に形成する場合、例えば、樹脂材料をスピンコーティングなどの方法で被覆する。
さらに、リターデーション膜１２ｅ（段差部材１２ｆ）上に反射膜１２ｄを実施の形態１と同様にして形成する。その後、反射膜１２ｄ及びリターデーション膜１２ｅ（段差部材１２ｆ及びインセルリターダー１２ｇ）をパターニングして透過領域Ａに対応する開口を形成する。
次に、上記構成を有する半透過型液晶表示装置における動作について説明する。なお、外光を光源として使用する反射モードにおける動作は、通常の半透過型液晶表示装置と同じであるので、その説明は省略する。
透過モードにおいて、反射領域Ｂにおいてバックライト１１から出射され、円偏光板１３を通過した右円偏光は、液晶パネル２のインセルリターダー１２ｇに入射すると、その位相がλ／４分が遅れる。λ／４分位相が遅れた光は、直線偏光となり、反射膜１２ｄで反射される。反射膜１２ｄで反射された光は、再びインセルリターダー１２ｇでその位相がλ／４分が遅れる。これにより、この直線偏光は、再び右円偏光になる。したがって、インセルリターダー１２ｇを通り、反射膜１２ｄで反射して、再びインセルリターダー１２ｇを通った右円偏光は、そのまま右円偏光になる。すなわち、右円偏光は、反射膜１２ｄで反射することにより左円偏光になるが、インセルリターダー１２ｇを２回通過するので、その位相が２×λ／４分遅れるので、右円偏光になる。この右円偏光は、実施の形態１と同様にして、透過モードの光源として再利用される。このため、実施の形態１と同様に、従来使用されずに無駄となっていた、反射領域Ｂにおけるバックライト１１からの光が、透過モードで使用できることになる。
（実施の形態３）
本実施の形態においては、液晶パネルの反射領域に設けられた位相差形成手段の他の例について説明する。本実施の形態では、位相差形成手段として基板外側のリターダーを用いた場合について説明する。
図３（ｂ）は、本発明の実施の形態３に係る半透過型液晶表示装置の位相差形成手段の他の例を示す断面図である。ここで、図３（ｂ）において図２と同じ部材には図２と同じ参照符号を付す。
図３（ｂ）に示す位相差形成手段は、液晶セルの内側に設けられた通常の段差形成層１２ｆと、液晶セルの外側に設けられたリターダー１２ｈとで構成されている。このリターダー１２ｈは、例えばλ／４分（約１００〜２００ｎｍ）位相を遅延させる機能を有する。このリターダー１２ｈは、位相差フィルムやリターデーション膜などで構成することができる。
図３（ｂ）に示す位相差形成手段を形成する場合、まず、ガラス基板１２ａの液晶セル側（セル内側）の主面上に段差部材１２ｆを形成する。段差部材１２ｆをガラス基板１２ａ上に形成する場合、例えば、樹脂材料をスピンコーティングなどの方法で被覆する。
さらに、段差部材１２ｆ上に反射膜１２ｄを実施の形態１と同様にして形成する。その後、反射膜１２ｄ及び段差部材１２ｆをパターニングして透過領域Ａに対応する開口を形成する。
次いで、ガラス基板１２ａの液晶セルと反対側（セル外側）の主面であって、段差部材１２ｆの形成領域に対応する領域上に、リターダー１２ｈを部分的に形成する。リターダー１２ｈとして位相差フィルムを用いる場合には、ガラス基板１２ａの段差部材１２ｆの形成領域に対応する領域上に位相差フィルムを部分的に貼付する。一方、リターダー１２ｈとしてリターデーション膜を用いる場合には、実施の形態１と同様にして、スピンコーティングなどの方法により樹脂材料を被覆した後に、段差部材１２ｆの形成領域に対応する領域上にリターデーション膜が残存するようにパターニングを行う。
次に、上記構成を有する半透過型液晶表示装置における動作について説明する。なお、外光を光源として使用する反射モードにおける動作は、通常の半透過型液晶表示装置と同じであるので、その説明は省略する。
透過モードにおいて、反射領域Ｂにおいてバックライト１１から出射され、円偏光板１３を通過した右円偏光は、液晶パネル２のリターダー１２ｈに入射すると、その位相がλ／４分が遅れる。λ／４分位相が遅れた光は、直線偏光となり、反射膜１２ｄで反射される。反射膜１２ｄで反射された光は、再びリターダー１２ｈでその位相がλ／４分が遅れる。これにより、この直線偏光は、再び右円偏光になる。したがって、リターダー１２ｈを通り、反射膜１２ｄで反射して、再びリターダー１２ｈを通った右円偏光は、そのまま右円偏光になる。すなわち、右円偏光は、反射膜１２ｄで反射することにより左円偏光になるが、リターダー１２ｈを２回通過するので、その位相が２×λ／４分遅れるので、右円偏光になる。この右円偏光は、実施の形態１と同様にして、透過モードの光源として再利用される。このため、実施の形態１と同様に、従来使用されずに無駄となっていた、反射領域Ｂにおけるバックライト１１からの光が、透過モードで使用できることになる。
また、本実施の形態においては、位相差形成手段を段差部材１２ｆとリターダー１２ｈとを別体で構成しているので、リターダー１２ｈの厚さを薄くすることが可能である。
本発明は上記実施の形態１〜３に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態１〜３で記載した材料などについては、これらに限定されず種々変更して実施することができる。
上記実施の形態１〜３においては、λ／４分位相を遅らせるリターデーション膜を用いた場合について説明しているが、本発明においては、その膜又は層を２回通過することにより円偏光の向きが反転するものであれば、λ／４分位相を遅らせるリターデーション膜に限定されない。また、上記実施の形態１〜３においては、円偏光板１３，１４をガラス基板１２ａ，１２ｂ上に貼付する場合について説明しているが、本発明では、液晶パネル１２において円偏光板１３，１４がガラス基板１２ａ，１２ｂの外側に配置されていれば良い。
以上説明したように本発明の半透過型液晶表示装置は、液晶パネルの外側に配置された一対の円偏光部材と、一対の円偏光部材の一方の円偏光部材の外側に配置されたバックライトと、を具備し、反射領域は、液晶パネルのバックライト配置側と反対側からの外光を反射する反射部材を備え、反射領域は、反射部材の前記バックライト側に位相差形成手段を備えているので、反射領域におけるバックライトからの円偏光の偏光方向を反転させることができ、反射部材で反射された光の円偏光部材の通過を可能にする。その結果、従来使用されずに無駄となっていた、反射領域におけるバックライトからの光を透過モードで使用することができる。
本発明は、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などに使用される半透過型液晶表示装置に適用可能である。
従来の半透過型液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半透過型液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。 図３（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る半透過型液晶表示装置の位相差形成手段の他の例を示す断面図であり、図３（ｂ）は、本発明の実施の形態３に係る半透過型液晶表示装置の位相差形成手段の他の例を示す断面図である。

Claims (4)

  1. 互いに対向させた一対の基体間に液晶材料が封入されており、前記一対の基体の一方の基体上に形成された画素がそれぞれ透過領域及び反射領域を有する液晶パネルを備えた半透過型液晶表示装置であって、
    前記液晶パネルの外側に配置された一対の円偏光部材と、前記一対の円偏光部材の一方の円偏光部材の外側に配置されたバックライトとを具備し、
    前記反射領域は、前記液晶パネルのバックライト配置側と反対側からの外光を反射する反射部材を備えており、前記反射領域は、前記反射領域のみに前記反射部材の前記バックライト側に位相差形成手段を備え、前記一対の基体のバックライト配置側の基体の前記液晶パネル内側の主面上に形成される段差部材と、前記バックライト配置側の基体の前記液晶パネル外側の主面の前記段差部材の形成領域に対応する領域上に形成されるリターダーとで構成されている位相差形成手段を備え、
    前記位相差形成手段は、円偏光が反射により２度通過することにより通過する前の円偏光の方向と同じ方向となる機能を有していることを特徴とする半透過型液晶表示装置。
  2. 前記リターダーは、前記一対の基体のバックライト配置側の基体の前記液晶パネル外側の主面における前記反射領域上に設けられていることを特徴とする請求項１記載の半透過型液晶表示装置。
  3. 前記リターダーは、λ/ 4 分位相を遅らせるリターデーション膜又は位相差フィルムであることを特徴とする請求項２記載の半透過型液晶表示装置。
  4. 前記一対の円偏光部材は、それぞれ逆向きの円偏光板であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半透過型液晶表示装置。
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